Hur många elektriska laddningar har en platinananopartikel? Tack vare en förbättrad elektronholografiteknik med hög precision är det nu möjligt att svara på denna fråga genom att räkna laddningarna direkt, ner till nivån för en enskild elektron. Tekniken, utvecklad av forskare vid Kyushu University och Hitachi Ltd i Japan, kan hjälpa forskare att skapa effektivare katalysatorer.
Att ta bort bara en eller två negativa laddningar från en nanopartikel kan avsevärt förändra dess beteende som katalysator. Av denna anledning är att bestämma laddningstillståndet för enskilda nanopartiklar på en metalloxidyta en viktig uppgift för katalysatorteknik, förklarar teamledaren Yasukazu Murakami, en kvantmaterialforskare vid Kyushu. Problemet är att nuvarande tekniker för att göra detta, såsom röntgenfotoemissionsspektroskopi, endast ger laddningsinformation i genomsnitt över många nanopartiklar.
Elektron holografi
I det nya arbetet använde forskarna elektronholografi (en typ av transmissionselektronmikroskopi) för att direkt identifiera den elektrostatiska potential som skapas av nanopartiklar av platina på en yta av titanoxid – en kombination av material som ofta används som katalysator för att påskynda kemiska reaktioner . I elektronholografi producerar en elektron som interagerar med elektriska och magnetiska fält en fasförskjutning i elektronens vågfunktion som sedan kan identifieras genom att jämföra den med en referenselektron som inte har interagerat med ett fält.
Genom att mäta fälten runt platinananopartiklarna bestämde Murakami och kollegor antalet "extra" eller "saknade" elektroner associerade med dem. Deras mätningar visade att en nanopartikel kunde få eller förlora någonstans mellan en och sex elektroner.
Forskarna säger att mekanismen bakom platinaladdning innebär en skillnad i arbetsfunktionerna (energin som krävs för att helt dra ut en elektron från en metallyta) hos platina och titandioxid (TiO)2). Denna skillnad beror på orienteringen av nanopartiklarna på TiO2 och förvrängningen av kristallgittret.
Reducerar mekaniskt och elektriskt brus
Ett centralt inslag i forskarnas prestationer var en serie förbättringar som gjorts av ett 1.2-MV atomupplösning holografimikroskop som utvecklats och drivs av Hitachi. Detta instrument reducerar mekaniskt och elektriskt brus och bearbetar sedan data för att ytterligare reta ut signalen från bruset, förklarar Murakami.
Kvantholografi avbildar objekt med oupptäckt ljus
"Högprecisionselektronholografi skulle kunna tillämpas på banbrytande studier inom kondenserad materiens fysik, oorganisk kemi, inklusive katalys, spintroniska/halvledarenheter, nya typer av batterier och andra ämnen där en omfattande elektromagnetisk fältanalys är väsentlig," han berättar Fysikvärlden.
I denna studie, som beskrivs i detalj i Vetenskap, forskarna mätte laddningen på enskilda nanopartiklar i ett vakuum. Men i framtiden hoppas de kunna upprepa sina experiment i en gasformig miljö. "Sådana studier skulle återspegla de förhållanden under vilka arbetskatalysatorer används," säger Murakami.
