Het vergroten van ons begrip van hoe individuele atomen en moleculen deelnemen aan chemische reacties is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. Echter, tot op heden was het niet mogelijk om atomaire dynamica op metalen oppervlakken in beeld te brengen onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van de industriële processen van belang. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben in situ omgevingstransmissie-elektronenmicroscopie gebruikt om progressieve atomaire dynamica in levensechte omgevingen te visualiseren. Deze belangrijke prestatie heeft implicaties voor materialen zoals kwantumdots - fluorescerende materialen die worden gebruikt in LED's, zonnepanelen, en medische beeldvorming - en nanokatalysatoren die worden gebruikt om de efficiëntie van industriële processen te verhogen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie .

Veel katalysatoren en nano-apparaten voor nanodeeltjes zijn afhankelijk van de migratie van atomen van de ene toestand naar de andere wanneer ze worden geactiveerd door een elektronische stimulus zoals een intens licht. Experimenten die getracht hebben deze processen te begrijpen, zijn over het algemeen uitgevoerd onder omstandigheden die de tijdschalen of atmosferische samenstellingen die relevant zijn voor daadwerkelijke toepassingen niet repliceren. Bijvoorbeeld, veel oppervlakte-experimenten zoals traditionele transmissie-elektronenmicroscopie worden onder vacuüm uitgevoerd en beperken zo de toepasbaarheid van de bevindingen.

In deze laatste studie de onderzoekers rapporteren een in situ omgevingstransmissie-elektronenmicroscopietechniek waarmee veranderingen in de atomaire dynamica van een metalen oppervlak in een sterk elektrisch veld direct in de tijd en onder omgevingsomstandigheden kunnen worden gevisualiseerd. Vooral, de fysieke veranderingen als gevolg van de oxidatie van een goudelektrode door zuurstofatomen werden gevolgd naarmate de reactie vorderde.

"We hebben een elektrisch veld aangelegd over een zeer kleine opening tussen gouden elektroden, die de zuurstofgasmoleculen in de atmosfeer activeerde door extreem snelle elektronentunneling, " hoofdonderzoeker Ryotaro Aso legt uit. "Dit leidde op zijn beurt tot progressieve veranderingen aan het oppervlak van de gouden elektroden - die over het algemeen als inactief worden beschouwd - die we duidelijk in afbeeldingen konden vastleggen."

Dit is de eerste gerapporteerde directe visualisatie van progressieve atomaire veranderingen van een metalen oppervlak in een elektrostatisch veld onder omgevingsomstandigheden en wordt een tunneling-electron-attached-gas-proces genoemd.

"We verwachten dat zowel het gouden elektrodesysteem dat we hebben onderzocht als onze omgevingstransmissie-elektronenmicroscopie-aanpak nieuwe perspectieven zullen bieden voor materiaalwetenschappelijke onderzoekers, " hoofdauteur van de studie Ryotaro Aso legt uit. "We hopen dat het gedemonstreerde tunneling-electron-attached-gas-proces zal leiden tot ontwikkelingen in nanokatalysatoren en kwantumnanodots en syntheses op maat van nieuwe nanomaterialen mogelijk zal maken." Dergelijke nanomaterialen zouden verreikende toepassingen kunnen hebben in toont, in beeld brengen, en chemische productie.