In een laboratorium, 18 voet onder de Engineering Quad van Stanford University, onderzoekers in het Dionne-lab kampeerden met een van de meest geavanceerde microscopen ter wereld om een ​​onvoorstelbaar kleine reactie vast te leggen.

De lableden voerden zware experimenten uit - die soms 30 uur aaneengesloten werk vergen - om real-time vast te leggen, dynamische visualisaties van atomen die op een dag zouden kunnen helpen onze telefoonbatterijen langer mee te laten gaan en onze elektrische voertuigen verder kunnen gaan op een enkele lading.

Onder de grond zwoegen in de getunnelde laboratoria, ze registreerden atomen die in en uit nanodeeltjes van minder dan 100 nanometer bewogen, met een resolutie van bijna 1 nanometer.

"De mogelijkheid om reacties in realtime met zo'n hoge resolutie direct te visualiseren, stelt ons in staat om veel onbeantwoorde vragen in de chemische en fysische wetenschappen te onderzoeken, " zei Jen Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford en senior auteur van het artikel waarin dit werk wordt beschreven, gepubliceerd op 16 januari in Natuurcommunicatie . "Hoewel de experimenten niet gemakkelijk zijn, ze zouden niet mogelijk zijn zonder de opmerkelijke vooruitgang in elektronenmicroscopie van het afgelopen decennium."

Hun experimenten waren gericht op waterstof dat in palladium terechtkwam, een klasse van reacties die bekend staat als een intercalatie-gedreven faseovergang. Deze reactie is fysiek analoog aan hoe ionen tijdens het laden en ontladen door een batterij of brandstofcel stromen. Door dit proces in realtime te observeren, wordt inzicht gegeven in waarom nanodeeltjes betere elektroden maken dan bulkmaterialen en past het in Dionne's grotere interesse in energieopslagapparaten die sneller kunnen opladen, houdt meer energie vast en voorkomt permanent falen.

Technische complexiteit en spoken

Voor deze experimenten is het Dionne-lab creëerde palladium-nanokubussen, een vorm van nanodeeltjes, die in grootte varieerden van ongeveer 15 tot 80 nanometer, en plaatste ze vervolgens in een waterstofgasomgeving in een elektronenmicroscoop. De onderzoekers wisten dat waterstof zowel de afmetingen van het rooster als de elektronische eigenschappen van het nanodeeltje zou veranderen. Ze dachten dat, met de juiste microscooplens en diafragmaconfiguratie, technieken die scanning transmissie-elektronenmicroscopie en elektronenenergieverliesspectroscopie worden genoemd, kunnen de waterstofopname in realtime aantonen.

Na maanden van vallen en opstaan, de resultaten waren zeer gedetailleerd, realtime video's van de veranderingen in het deeltje toen waterstof werd geïntroduceerd. Het hele proces was zo ingewikkeld en nieuw dat de eerste keer dat het werkte, het lab had niet eens de videosoftware draaien, waardoor ze hun eerste filmsucces op een smartphone vastlegden.

Naar aanleiding van deze video's, ze onderzochten de nanokubussen tijdens tussenstadia van hydrogenering met behulp van een tweede techniek in de microscoop, genaamd dark-field imaging, die afhankelijk is van verstrooide elektronen. Om het hydrogeneringsproces te onderbreken, de onderzoekers dompelden de nanoblokjes midden in een ijsbad van vloeibare stikstof, hun temperatuur laten dalen tot 100 graden Kelvin (-280 F). Deze donkerveldbeelden dienden als een manier om te controleren of de toepassing van de elektronenstraal de eerdere waarnemingen niet had beïnvloed en stelden de onderzoekers in staat om gedetailleerde structurele veranderingen tijdens de reactie te zien.

"Met het gemiddelde experiment van ongeveer 24 uur bij deze lage temperatuur, we hadden veel instrumentproblemen en belden Ai Leen Koh [co-auteur en onderzoekswetenschapper bij Stanford's Nano Shared Facilities] op de raarste uren van de nacht, " herinnerde Fariah Hayee zich, hoofdco-auteur van de studie en afgestudeerde student in het Dionne-lab. "We kwamen zelfs een 'ghost-of-the-joystick-probleem' tegen, ' waar de joystick het monster enige tijd oncontroleerbaar leek te verplaatsen."

Terwijl de meeste elektronenmicroscopen werken met het monster in een vacuüm, de microscoop die voor dit onderzoek wordt gebruikt, heeft de geavanceerde mogelijkheid om de onderzoekers in staat te stellen vloeistoffen of gassen in hun monster te introduceren.

"We profiteren enorm van toegang tot een van de beste microscoopfaciliteiten ter wereld, " zei Tarun Narayan, hoofdco-auteur van deze studie en recent gepromoveerd aan het Dionne-lab. "Zonder deze specifieke tools, we zouden niet in staat zijn om waterstofgas te introduceren of onze monsters voldoende af te koelen om deze processen te zien plaatsvinden."

Onvolkomenheden eruit duwen

Behalve dat het een breed toepasbaar proof of concept is voor deze suite van visualisatietechnieken, kijken naar de beweging van de atomen biedt een grotere validatie voor de hoge verwachtingen die veel wetenschappers hebben van technologieën voor de opslag van nanodeeltjes.

De onderzoekers zagen de atomen door de hoeken van de nanokubus naar binnen bewegen en observeerden de vorming van verschillende onvolkomenheden in het deeltje terwijl waterstof erin bewoog. Dit klinkt als een argument tegen de belofte van nanodeeltjes, maar dat is omdat het niet het hele verhaal is.

"Het nanodeeltje heeft het vermogen om zichzelf te genezen, "zei Dionne. "Als je waterstof voor het eerst introduceert, het deeltje vervormt en verliest zijn perfecte kristalliniteit. Maar zodra het deeltje zoveel mogelijk waterstof heeft geabsorbeerd, het transformeert zichzelf weer terug naar een perfect kristal."

De onderzoekers beschrijven dit als onvolkomenheden die uit het nanodeeltje worden "geduwd". Dit vermogen van de nanokubus om zichzelf te genezen, maakt hem duurzamer, een belangrijke eigenschap die nodig is voor materialen voor energieopslag die vele laad- en ontlaadcycli kunnen doorstaan.

Kijken naar de toekomst

Naarmate de efficiëntie van de opwekking van hernieuwbare energie toeneemt, de behoefte aan energieopslag van hogere kwaliteit is urgenter dan ooit. Het is waarschijnlijk dat de toekomst van opslag zal afhangen van nieuwe chemie en de bevindingen van dit onderzoek, inclusief de microscopietechnieken die de onderzoekers gaandeweg verfijnden, zal van toepassing zijn op bijna elke oplossing in die categorieën.

Voor zijn deel, het Dionne-lab heeft veel richtingen vanaf hier. Het team kon verschillende materiaalsamenstellingen bekijken, of vergelijk hoe de grootte en vorm van nanodeeltjes de manier waarop ze werken beïnvloeden, en, spoedig, profiteren van nieuwe upgrades van hun microscoop om door licht gestuurde reacties te bestuderen. Momenteel, Hayee is verder gaan experimenteren met nanostaafjes, die meer oppervlakte hebben waar de ionen doorheen kunnen bewegen, veelbelovende potentieel nog snellere kinetiek.