(Phys.org) -Nanomaterialen gemaakt van deeltjes met afmetingen gemeten in miljardsten van een meter zijn een enorme belofte voor het maken van efficiëntere batterijen, brandstofcellen, katalysatoren, en medicijnafgiftesystemen. Zien hoe de nanogestructureerde materialen in deze apparaten evolueren en interageren terwijl ze werken, is essentieel om inzicht te krijgen in manieren om de prestaties te optimaliseren. Maar de meeste studies hebben gekeken naar geïdealiseerde monsters van geïsoleerde componenten, niet zoals ze functioneren in bedieningsapparaten.

Nu heeft een groep onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de School of Engineering and Applied Science van Columbia University een nieuw soort "röntgenvisie" ontwikkeld:een manier om in echte apparaten te kijken om de interne nanostructuren in kaart te brengen en eigenschappen van de verschillende componenten, en zelfs in de gaten houden hoe eigenschappen evolueren terwijl de apparaten werken. De nieuwe dubbele beeldvormingsmethode beschreven in Natuurcommunicatie , 30 september 2013, combineert röntgenstralen met hoge intensiteit voor het onderscheiden van structuren op nanoschaal met "plakjes" van het apparaat in dwarsdoorsnede om de precieze locatie van de nanogestructureerde componenten te bepalen. Het opent nieuwe kansen voor vooruitgang in een breed scala aan onderzoeksdisciplines, van materiaalwetenschap tot biomaterialen, geologie, Milieuwetenschappen, en gezondheid.

"Als je denkt aan een batterij met een anode, naast een membraan, naast een vast elektrolyt, naast een ander membraan, naast de kathode, en dit alles verpakt in een stalen container, het is vrij ondoorzichtig van de buitenkant, " zei Simon Billinge, een van de hoofdauteurs van het artikel en een onderzoeker bij zowel Brookhaven als Columbia Engineering. "Wat we nu kunnen doen, met deze nieuwe dual-imaging methode, is in de batterij kijken en de nanostructuur afzonderlijk uit elk van die delen van de batterij halen, en we kunnen het doen zonder de batterij uit elkaar te halen, en we kunnen het ook doen terwijl de batterij werkt, om de chemie te volgen terwijl de materialen evolueren."

Interne vingerafdrukken

De röntgenfoto's die voor deze techniek worden gebruikt, zijn niet zoals de röntgenfoto's die worden gebruikt om een ​​gebroken bot af te beelden. Ze zijn buitengewoon intens, kleine bundels met zeer hoge energie geproduceerd door een synchrotron-lichtbron, een wetenschappelijk precisie-instrument dat zich in geselecteerde onderzoekscentra over de hele wereld bevindt, waaronder Brookhaven Lab en de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, Frankrijk, waar dit specifieke onderzoek is gedaan. De röntgenstralen genereren metingen van de verdeling van afstanden tussen paren atomen in het materiaal - bekend als atomaire paarverdelingsfuncties, of PDF's - die de structuur op nanoschaal onthullen.

Grotere dwarsdoorsnedebeelden van plakjes materiaal, genomen vanuit meerdere hoeken met behulp van computertomografie (CT) - net zoals artsen gebruiken om te controleren op hersenletsel na een zware val - geven wetenschappers de ruimtelijke informatie die ze nodig hebben om een ​​3D te maken kaart van de materiële componenten van het apparaat en "plaats" de informatie over nanoschaalstructuur op die kaart.

"Elke methode is krachtig in zijn eigen recht, maar samen geven ze ons een heel nieuw soort beeld, " Billinge zei. "Voor het eerst kunnen we de nanostructuursignalen scheiden van de verschillende delen van een werkend apparaat en zien wat de atomen op elke plaats doen, zonder het object te demonteren."

Zoals de beeldvormende methoden die een enorme impact hebben gehad in de gezondheidszorg en de fysiologische en neurologische wetenschappen, deze techniek biedt ongekende toegang tot de interne werking van materialen op nanoschaal.

"Het is alsof je kunt zien wat er gebeurt, en het maken van metingen, in elke kamer diep in het midden van het Empire State Building, maar kijkend vanaf het observatiedek van 30 Rockefeller Center - oh, en als de gebouwen Empire State en Rockefeller heel klein waren, ' zei Billinge.

De techniek demonstreren

Om de techniek te demonstreren, de wetenschappers maakten afbeeldingen van een complex fantoommonster dat bestond uit een mengsel van meerdere amorfe en semi-kristallijne materialen. Ze waren in staat om deze verschillende fasen gemakkelijk uit elkaar te houden.

Vervolgens gebruikten ze de methode om de interne structuur te bestuderen van een katalysator gemaakt van palladium nanodeeltjes op een aluminiumoxide drager die veel wordt gebruikt in de chemische industrie.

"De efficiëntie van veel industriële processen is afhankelijk van de prestaties van katalysatoren die zijn afgezet op een structurele drager die bekend staat als een katalytisch lichaam, dus het is uiterst relevant om te begrijpen hoe ze zijn voorbereid en in de praktijk werken, ' zei Billinge.

De techniek onthulde duidelijk een niet-uniforme verdeling van deeltjes, met grotere deeltjes aan het oppervlak en kleinere aan de binnenkant van het materiaal.

"Het is uit deze studie niet duidelijk of de significante katalytische activiteit afkomstig zou zijn van de grotere en meer talrijke deeltjes aan de periferie, of door de kleinere in het interieur, "Zei Billinge. "Maar door dynamische PDF-CT te gebruiken om de katalysator te volgen terwijl deze presteert, het is nu mogelijk om een ​​vollediger beeld te geven van het katalysatormonster en de evolutionaire processen waarmee het zich ontwikkelt en werkt om deze relaties te begrijpen, en uiteindelijk om een ​​verbeterd katalysatorontwerp te begeleiden."

Dit onderzoek is uitgevoerd terwijl Billinge op sabbatical was vanuit Columbia en Brookhaven, maar zal waarschijnlijk doorgaan bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) in Brookhaven, wanneer het in 2015 operationeel wordt.

"Met moderne synchrotron-lichtbronnen, submicron röntgenstralen komen steeds meer beschikbaar, waardoor de mogelijkheid van PDF-CT-beeldvorming met resolutie op nanometer-lengteschalen in de nabije toekomst mogelijk wordt, ' zei Billinge.