Plastic is overal om ons heen - ze vormen onze waterflessen, vuilniszakken, inpak materiaal, speelgoed, containers, en meer. Jaarlijks wordt wereldwijd ongeveer 300 miljoen ton plastic geproduceerd, toch zijn de details van wat er op atomaire schaal gebeurt tijdens het productieproces van plastic nog steeds onduidelijk.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe techniek ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE (Berkeley Lab), in samenwerking met Dow en de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland, geeft atomaire resolutie details over magnesiumchloride, een materiaal dat betrokken is bij de productie van het meest voorkomende plastic, polyethyleen - en zou kunnen helpen om een ​​pad naar duurzame kunststoffen te creëren. Hun bevindingen werden gerapporteerd in Geavanceerde functionele materialen .

De onderzoekers gebruikten gepulseerde elektronenbundels in een elektronenmicroscoop om de eerste in hun soort beelden van magnesiumchloride te maken. Een continue elektronenstraal beschadigt snel dit delicate, straalgevoelig materiaal, maar dankzij de nieuwe techniek konden de onderzoekers het zonder schade bestuderen.

"Als je me 10 jaar geleden had gevraagd of we gepulseerde elektronenbundels konden gebruiken om bundelgevoelige materialen met atomaire resolutie af te beelden, Ik zou het niet hebben geloofd, " zei Christian Kisielowski, hoofdauteur van de studie en stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit op nanoschaal. "Nu is het mogelijk, en het heeft ons in staat gesteld om een ​​belangrijk materiaal voor de kunststofindustrie te bestuderen."

Kisielowski voegde eraan toe dat dit een gamechanger is voor het afbeelden van een breed scala aan materialen die normaal binnen een elektronenmicroscoop worden beschadigd. Naast magnesiumchloride, bijvoorbeeld, gepulseerde elektronenbundels kunnen ook worden gebruikt om zachte membranen en kunststoffen in het algemeen te bestuderen.

Focus op een nieuwe weg naar duurzame kunststoffen

Hoewel magnesiumchloride veel wordt gebruikt als ondersteuningsstructuur voor katalysatoren (materialen die reacties versnellen) die worden gebruikt om kunststoffen te maken, de exacte manier waarop het werkt, blijft een mysterie. Afbeeldingen op atoomschaal van magnesiumchloride zouden de rol ervan bij de productie van kunststoffen helpen verduidelijken en zouden de weg kunnen vrijmaken voor meer gespecialiseerde en duurzame kunststoffen.

Helaas, eerdere pogingen om dit kritieke materiaal in beeld te brengen waren moeilijk omdat magnesiumchloride kan voorkomen in twee soorten kristalstructuren die enigszins verschillende rangschikkingen van atomen hebben. "De elektronenstraal zelf beïnvloedt de materiële structuur, waardoor het moeilijk is om te interpreteren welke structuur wordt afgebeeld, " zei Kisielowski. "Door samen te werken met onze medewerkers, we waren in staat om verschillende interacties uit te plagen."

Het Berkeley Lab-team werkte samen met de Technische Universiteit Eindhoven en Dow om een ​​techniek te ontwikkelen die periodieke pulsen van elektronen levert in plaats van een continue elektronenstraal om magnesiumchloride in beeld te brengen. Met behulp van een gemodificeerde elektronenmicroscoop in Eindhoven, de onderzoekers ontdekten dat door de elektronenstraal te pulseren als een extreem snel stroboscooplicht met één puls elke 160 picoseconden (1 picoseconde is een biljoenste van een seconde), het materiaal kan zichzelf in wezen "genezen" tussen pulsen.

Het is algemeen bekend dat monsters in een elektronenmicroscoop beschadigd raken wanneer atomen uit hun positie worden geslagen of moleculen in kleinere deeltjes worden gesplitst. Door deze studie, de onderzoekers ontdekten dat de accumulatie van atomaire trillingen veroorzaakt door de elektronenstraal even belangrijk is. Door de straal op tijd te laten pulseren met deze trillingen, de onderzoekers behielden de oorspronkelijke atomaire structuur van het materiaal en onthulden dat vellen magnesiumchloride op elkaar stapelen in een onregelmatige opstelling, zoals een lukrake stapel boeken, waardoor het zich onderscheidt van andere materialen.

Een ander probleem waarmee andere onderzoekers hebben geworsteld bij het afbeelden van magnesiumchloride, is dat wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan lucht, het verandert zowel in chemische inhoud als in kristalstructuur (de manier waarop de atomen in de ruimte zijn gerangschikt). Maar bij het gebruik van conventionele elektronenmicroscopietechnieken, het monster wordt blootgesteld aan lucht terwijl het naar de microscoop wordt overgebracht.

Wanneer nieuwe oplossingen glashelder worden

Kisielowski merkte op dat door hun samenwerking met Dow, ze waren in staat om de blootstelling van het materiaal aan lucht te minimaliseren voordat het in de microscoop werd geplaatst door een speciale vacuümverzegelde houder te gebruiken. "Onze collega's bij Dow leerden ons omgaan met luchtgevoelige materialen, en dat was een belangrijk element van deze hele zaak, "Zei Kisielowski. "Wij zijn experts in het regelen van de elektronenstraal, wat even belangrijk is. Het was een samenwerking van geven en nemen."

"Historisch, een begrip op atomair niveau van magnesiumchloride was moeilijk te bereiken, " zei David Yancey, de Dow-medewerker van het project, toevoegend dat Dow's nauwe relatie met Berkeley Lab hen in staat stelde de microscopie-expertise van de Foundry toe te passen om dit uitdagende probleem op te lossen.

Door samen te werken, onderzoekers van Berkeley Lab en Dow kunnen fundamentele wetenschappelijke vragen aanpakken die aan de basis liggen van uitdagende industriële problemen. "Het institutionele partnerschap opent nieuwe wegen voor toekomstig onderzoek, " zei Horst Simon, adjunct-directeur voor onderzoek van Berkeley Lab. "Het aanpakken van deze grote, fundamentele vragen zullen leiden tot verreikende voordelen voor de hele wetenschap, industrie, en de economie van het land."

Nu de onderzoekers de katalysatoren voor de productie van plastic met atomaire resolutie in beeld kunnen brengen, ze zullen de relaties tussen deze structuren en de eigenschappen van kunststoffen bestuderen, de weg vrijmaken voor meer gespecialiseerde en duurzame kunststoffen.

"We weten nu al dat we moeten veranderen hoe we in de wereld met plastic omgaan, zei Petra Specht, tweede auteur van de studie en een onderzoekswetenschapper op de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley. "Als u wijzigingen wilt aanbrengen, je moet weten hoe het proces werkt. Hopelijk, onze nieuwe techniek zal ons helpen om beter te begrijpen hoe kunststoffen ontstaan, en hoe we duurzamere materialen kunnen maken, " voegde ze eraan toe.