Voor de eerste keer, wetenschappers van Empa en ETH Zürich hebben, in samenwerking met een Nederlands team, erin geslaagd om de atomaire structuur van individuele nanodeeltjes te meten. De techniek, onlangs gepubliceerd in Natuur , zou kunnen helpen om de eigenschappen van nanodeeltjes in de toekomst beter te begrijpen.

In chemische termen, nanodeeltjes hebben andere eigenschappen dan hun «grote broers en zussen»:ze hebben een groot oppervlak in verhouding tot hun kleine massa en tegelijkertijd een klein aantal atomen. Dit kan kwantumeffecten produceren die leiden tot veranderde materiaaleigenschappen. Keramiek gemaakt van nanomaterialen kan plotseling buigzaam worden, bijvoorbeeld, of een goudklompje is goudkleurig terwijl een nanosliver ervan roodachtig is.

De chemische en fysische eigenschappen van nanodeeltjes worden bepaald door hun exacte driedimensionale morfologie, atomaire structuur en vooral hun oppervlaktesamenstelling. In een onderzoek geïnitieerd door ETH Zürich-wetenschapper Marta Rossell en Empa-onderzoeker Rolf Erni, de 3D-structuur van individuele nanodeeltjes is nu met succes bepaald op atomair niveau. De nieuwe techniek zou ons begrip van het kenmerk van nanodeeltjes kunnen helpen verbeteren, inclusief hun reactiviteit en toxiciteit.

Voor hun elektronenmicroscopische studie, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur , Rossell en Erni bereidden zilveren nanodeeltjes in een aluminiummatrix. De matrix maakt het gemakkelijker om de nanodeeltjes onder de elektronenstraal in verschillende kristallografische oriëntaties te kantelen, terwijl de deeltjes worden beschermd tegen beschadiging door de elektronenstraal. De basisvoorwaarde voor het onderzoek was een speciale elektronenmicroscoop die een maximale resolutie van minder dan 50 picometer bereikt. Ter vergelijking:de diameter van een atoom meet ongeveer één Ångström, d.w.z. 100 picometer.

Om het monster verder te beschermen, de elektronenmicroscoop is zo opgesteld dat ook beelden met een atomaire resolutie met een lagere versnellingsspanning worden verkregen, namelijk 80 kilovolt. Normaal gesproken, zo'n microscoop – waarvan er maar een paar op de wereld zijn – werkt op 200 – 300 kilovolt. De twee wetenschappers gebruikten een microscoop in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië voor hun experimenten. De experimentele gegevens werden aangevuld met aanvullende elektronenmicroscopische metingen bij Empa.

Op basis van deze microscopische beelden, Sandra Van Aert van de Universiteit Antwerpen maakte modellen die de beelden verscherpen en kwantificeren:de verfijnde beelden maakten het mogelijk om de individuele zilveratomen langs verschillende kristallografische richtingen te tellen.

Voor de driedimensionale reconstructie van de atomaire rangschikking in het nanodeeltje, Rossell en Erni riepen uiteindelijk de hulp in van de tomografiespecialist Joost Batenburg uit Amsterdam, die de gegevens gebruikte om de atomaire structuur van het nanodeeltje tomografisch te reconstrueren op basis van een speciaal wiskundig algoritme. Slechts twee afbeeldingen waren voldoende om het nanodeeltje te reconstrueren, die uit 784 atomen bestaat. "Tot nu toe, alleen de ruwe contouren van nanodeeltjes konden worden geïllustreerd met behulp van veel afbeeldingen vanuit verschillende perspectieven, " zegt Marta Rossell. Atoomstructuren, anderzijds, kon alleen zonder experimentele basis op de computer worden gesimuleerd.

"Aanvragen voor de methode, zoals het karakteriseren van gedoteerde nanodeeltjes, staan ​​nu op de kaart, " zegt Rolf Erni. Bijvoorbeeld, de methode zou ooit kunnen worden gebruikt om te bepalen welke atoomconfiguraties actief worden op het oppervlak van de nanodeeltjes als ze een toxische of katalytische werking hebben. Rossell benadrukt dat het onderzoek in principe op elk type nanodeeltje kan worden toegepast. De voorwaarde, echter, is experimentele gegevens zoals die verkregen in de studie.