Veel recente grote technologische ontwikkelingen op het gebied van informatica, communicatie, energie en biologie vertrouwden op zeer kleine materialen, nanodeeltjes, met afmetingen kleiner dan 1/1, 000ste van de dikte van een vel papier. Echter, het kan moeilijk zijn om de beste nanomaterialen voor deze toepassingen te bepalen, omdat het observeren van nanodeeltjes in actie een hoge ruimtelijke resolutie vereist in "rommelige, " dynamische omgevingen.

In een recente stap in deze richting, een team van Stanford-ingenieurs heeft een eerste blik gekregen in faseveranderende nanodeeltjes, verduidelijken hoe hun vorm en kristalliniteit - de rangschikking van atomen in het kristal - dramatische effecten kunnen hebben op hun prestaties.

Het werk, die wordt beschreven in Natuurmaterialen , heeft onmiddellijke toepassingen in het ontwerp van materialen voor energieopslag, maar zou uiteindelijk zijn weg kunnen vinden naar gegevensopslag, elektronische schakelaars en elk apparaat waarin de fasetransformatie van een materiaal zijn prestaties regelt.

Bijvoorbeeld, in een lithium-ionbatterij, het vermogen van de batterij om herhaaldelijk energie op te slaan en af ​​te geven, is afhankelijk van het vermogen van de elektrode om grote vervormingen te doorstaan ​​gedurende meerdere laad- en ontlaadcycli zonder degradatie. Onlangs, wetenschappers hebben de efficiëntie van dit proces verbeterd door de elektroden te nanosizen. De nanodeeltjes zorgen voor sneller opladen, verhoogde energieopslag en een langere levensduur, maar het is niet bekend welke vormen van nanodeeltjes, maten en kristalliniteiten produceren de beste prestaties. Het beantwoorden van deze vraag diende als inspiratie voor de huidige studie, "Reconstructie van door opgeloste stoffen geïnduceerde fasetransformaties binnen individuele nanokristallen."

Over het algemeen, het is moeilijk te bepalen of het gedrag van een verzameling nanodeeltjes het resultaat is van het feit dat elk afzonderlijk onderdeel op dezelfde manier presteert of dat het de gemiddelde output is van hoog- en laagpresteerders. Jennifer Dionne, een assistent-professor materiaalkunde en techniek, en haar groep hebben het gedrag van individuele deeltjes bestudeerd om een ​​sterker verband tussen structuur en functie tot stand te brengen dat het ontwerp van energieopslagmaterialen van de volgende generatie kan sturen.

In dit experiment, Dionne's groep onderzocht hoe het variëren van de vormen en kristalliniteit van palladium-nanodeeltjes hun vermogen om waterstofatomen te absorberen en af ​​te geven beïnvloedde - een analoog aan een lithium-ionbatterij die ontlaadt en oplaadt. Ze maakten kubieke, piramidale en icosaëdrische nanodeeltjes en nieuwe beeldvormingstechnieken ontwikkeld om in nanodeeltjes te kijken bij verschillende waterstofdrukken, bepalen waar de waterstof zich bevond.

De techniek was gebaseerd op een omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop, waardoor de ingenieurs precies konden onderscheiden hoe de waterstof in de nanodeeltjes werd verdeeld en dit met een ongelooflijk hoge - sub-2-nanometer - resolutie.

"Dit instrument is een van de weinige in zijn soort en stelt ons in staat om materialen in hun werkomgeving te bestuderen, " zei Tarun Narayan, hoofdco-auteur van de studie en een recent gepromoveerde van Dionne's groep.

De microscoop maakt analyse van deeltjes mogelijk met behulp van verschillende technieken, zoals directe beeldvorming, diffractie en spectroscopie.

"Elke techniek biedt verschillende informatie die kan worden gecombineerd om een ​​compleet, multidimensionaal begrip van het systeem, " zei Andrea Baldi, een postdoctoraal co-auteur en nu een faculteitslid bij het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) in Nederland.

De onderzoekers ontdekten dat de structuur van nanodeeltjes de prestaties aanzienlijk beïnvloedt. De icosaëdrische structuren, bijvoorbeeld, vertonen een verminderde energieopslagcapaciteit en een meer geleidelijke waterstofabsorptie dan de enkelvoudige kristallijne kubussen en piramides. Hoge-resolutiekaarten van de deeltjes tonen aan dat waterstof is uitgesloten van het centrum van het deeltje, waardoor de totale capaciteit om waterstof op te nemen wordt verlaagd. Structurele karakterisering toont aan dat de geleidelijke absorptie van waterstof plaatsvindt omdat verschillende delen van het deeltje waterstof absorberen bij verschillende drukken, in tegenstelling tot wat wordt waargenomen in eenkristallen.

"We hadden zelfs een paar jaar geleden niet kunnen bedenken dat we dergelijke in-situ-waarnemingen op atomair niveau zouden doen, en dus is wat het team heeft aangetoond en bereikt opmerkelijk op het gebied van materiaalbeeldvorming, " zei co-auteur Robert Sinclair, een professor in materiaalkunde en techniek.

Ai Leen Koh, een stafwetenschapper bij Stanford's Nano Shared Facilities die ook auteur was van het werk, zei dat "deze resultaten laten zien hoe in situ omgevingselektronenmicroscopie kan worden gebruikt om in realtime in individuele nanodeeltjes te kijken die zijn blootgesteld aan waterstofgas."

"Met dit vermogen om tijdens hun werking in nanodeeltjes te kijken, we kunnen helpen bij het ontwerpen van kampioensmaterialen voor energieopslagapparaten van de volgende generatie, " zei Dionne, die ook lid is van Stanford Bio-X en van het Stanford Neurosciences Institute, en een filiaal van het Stanford Precourt Institute for Energy.