Wetenschappers hebben een Nobelprijswinnende scheikundetechniek gebruikt op een mengsel van metalen om de kosten van brandstofcellen die in elektrische auto's worden gebruikt mogelijk te verlagen en de schadelijke uitstoot van conventionele voertuigen te verminderen.

De onderzoekers hebben een biologische techniek vertaald, die de Nobelprijs voor de Scheikunde 2017 won, om atomaire schaalchemie in metalen nanodeeltjes te onthullen. Deze materialen zijn een van de meest effectieve katalysatoren voor energieomzettingssystemen zoals brandstofcellen. Het is de eerste keer dat deze techniek voor dit soort onderzoek is gebruikt.

De deeltjes hebben een complexe stervormige geometrie en dit nieuwe werk laat zien dat de randen en hoeken verschillende chemische eigenschappen kunnen hebben die nu kunnen worden afgestemd om de kosten van batterijen en katalysatoren te verlagen.

De Nobelprijs voor de Scheikunde 2017 is toegekend aan Joachim Frank, Richard Henderson en Jacques Dubochet voor hun rol bij het pionieren van de techniek van reconstructie van enkelvoudige deeltjes. Deze elektronenmicroscopietechniek heeft de structuren van een groot aantal virussen en eiwitten blootgelegd, maar wordt meestal niet gebruikt voor metalen.

Nutsvoorzieningen, een team van de Universiteit van Manchester, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Oxford en Macquarie University, hebben voortgebouwd op de Nobelprijswinnende techniek om driedimensionale elementaire kaarten te produceren van metalen nanodeeltjes die uit slechts een paar duizend atomen bestaan.

Gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , hun onderzoek toont aan dat het mogelijk is om verschillende elementen op nanometerschaal in drie dimensies in kaart te brengen, schade aan de bestudeerde deeltjes te omzeilen.

Metalen nanodeeltjes zijn het hoofdbestanddeel van veel katalysatoren, zoals die worden gebruikt om giftige gassen om te zetten in uitlaatgassen van auto's. Hun effectiviteit is sterk afhankelijk van hun structuur en chemie, maar vanwege hun ongelooflijk kleine structuur, elektronenmicroscopen zijn nodig om ze in beeld te brengen. Echter, de meeste beeldvorming is beperkt tot 2D-projecties.

"We onderzoeken al geruime tijd het gebruik van tomografie in de elektronenmicroscoop om elementaire distributies in drie dimensies in kaart te brengen, " zei professor Sarah Haigh, van de School of Materials, Universiteit van Manchester. "Meestal roteren we het deeltje en nemen we beelden vanuit alle richtingen, zoals een CT-scan in een ziekenhuis, maar deze deeltjes waren te snel beschadigd om een ​​3D-beeld op te bouwen. Biologen gebruiken een andere benadering voor 3D-beeldvorming en we besloten te onderzoeken of dit samen met spectroscopische technieken kan worden gebruikt om de verschillende elementen in de nanodeeltjes in kaart te brengen."

"Net als 'reconstructie met één deeltje' werkt de techniek door veel deeltjes in beeld te brengen en ervan uit te gaan dat ze allemaal identiek van structuur zijn, maar gerangschikt op verschillende oriëntaties ten opzichte van de elektronenbundel. De beelden worden vervolgens ingevoerd in een computeralgoritme dat een driedimensionale reconstructie uitvoert."

In de huidige studie is de nieuwe 3D-chemische beeldvormingsmethode gebruikt om platina-nikkel (Pt-Ni) metalen nanodeeltjes te onderzoeken.

Hoofdauteur, Yi Chi Wang, ook van de School of Materials, toegevoegd:"Nanodeeltjes op basis van platina zijn een van de meest effectieve en meest gebruikte katalytische materialen in toepassingen zoals brandstofcellen en batterijen. Onze nieuwe inzichten over de 3D-lokale chemische distributie kunnen onderzoekers helpen betere katalysatoren te ontwerpen die goedkoop en hoge efficiëntie."

"We streven ernaar om onze 3D-workflow voor chemische reconstructie in de toekomst te automatiseren", voegde auteur Dr. Thomas Slater toe. "We hopen dat het een snelle en betrouwbare methode kan bieden voor het in beeld brengen van populaties van nanodeeltjes, die dringend nodig is om de optimalisatie van de synthese van nanodeeltjes te versnellen voor uiteenlopende toepassingen, waaronder biomedische detectie, lichtgevende dioden, en zonnecellen."