Wat zie je op de afbeelding hierboven? Slechts een nauwkeurig getekende driedimensionale afbeelding van nanodeeltjes? Veel meer dan dat, nanotechnologen zullen zeggen, vanwege een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . Of een materiaal chemische reacties katalyseert of een moleculaire reactie belemmert, heeft alles te maken met hoe de atomen zijn gerangschikt. Het uiteindelijke doel van nanotechnologie is gecentreerd rond het vermogen om materialen atoom voor atoom te ontwerpen en te bouwen, waardoor wetenschappers hun eigenschappen in elk willekeurig scenario kunnen beheersen. Echter, atomaire beeldvormingstechnieken waren niet voldoende om de precieze driedimensionale atomaire rangschikkingen van materialen in vloeibare oplossing te bepalen, die wetenschappers zou vertellen hoe materialen zich in het dagelijks leven gedragen, zoals in water of bloedplasma.

Onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea), in samenwerking met Dr. Hans Elmlund van het Biomedicine Discovery Institute van Monash University in Australië en Dr. Peter Ercius van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS, hebben een nieuwe analytische methodologie gerapporteerd die de 3D-structuur van individuele nanodeeltjes kan oplossen met een resolutie op atomair niveau. De 3D-atomaire posities van individuele nanodeeltjes kunnen worden geëxtraheerd met een precisie van 0,02 nm - zes keer kleiner dan het kleinste atoom:waterstof. Met andere woorden, deze methode met hoge resolutie detecteert individuele atomen en hoe ze in een nanodeeltje zijn gerangschikt.

De onderzoekers noemen hun ontwikkeling 3-D SINGLE (Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid cell Electron microscopy) en gebruiken wiskundige algoritmen om 3D-structuren af ​​te leiden uit een set van 2D-beeldgegevens die zijn verkregen door een van de krachtigste microscopen op aarde . Eerst, een nanokristaloplossing is ingeklemd tussen twee grafeenplaten die elk slechts een enkel atoom dik zijn. "Als een vissenkom van dik materiaal was gemaakt, het zou moeilijk zijn om er doorheen te kijken. Aangezien grafeen het dunste en sterkste materiaal ter wereld is, we hebben grafeenzakken gemaakt die de elektronenstraal van de microscoop door het materiaal laten schijnen en tegelijkertijd het vloeibare monster afdichten, " legt Park Jungwon uit, een van de corresponderende auteurs van de studie (assistent-professor aan de School of Chemical and Biological Engineering in Seoul National University).

De onderzoekers verkrijgen films met 400 beelden per seconde van elk nanodeeltje dat vrij ronddraait in vloeistof met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (TEM). Het team past vervolgens hun reconstructiemethode toe om de 2D-beelden te combineren tot een 3D-kaart die de atomaire rangschikking toont. Het lokaliseren van de precieze positie van elk atoom vertelt onderzoekers hoe het nanodeeltje is gemaakt en hoe het zal interageren in chemische reacties.

De studie definieerde de atomaire structuren van acht platina-nanodeeltjes - platina is de meest waardevolle van de edele metalen, gebruikt in een aantal toepassingen zoals katalytische materialen voor energieopslag in brandstofcellen en aardolieraffinage. Hoewel alle deeltjes in dezelfde batch werden gesynthetiseerd, ze vertoonden belangrijke verschillen in hun atomaire structuren die hun prestaties beïnvloeden.

"Nu is het mogelijk om experimenteel de precieze 3D-structuren van nanomaterialen te bepalen die alleen theoretisch waren gespeculeerd. De methodologie die we hebben ontwikkeld, zal bijdragen aan gebieden waar nanomaterialen worden gebruikt, zoals brandstofcellen, waterstof voertuigen, en petrochemische synthese, " zegt dr. Kim Byung Hyo, de eerste auteur van de studie. Opmerkelijk, deze methodologie kan de atomaire verplaatsing en spanning op de oppervlakte-atomen van individuele nanodeeltjes meten. De stamanalyse van de 3D-reconstructie vergemakkelijkt de karakterisering van de actieve plaatsen van nanokatalysatoren op atomaire schaal, waardoor structuurgebaseerd ontwerp de katalytische activiteiten kan verbeteren. De methodologie kan ook meer in het algemeen bijdragen aan de verbetering van de prestaties van nanomaterialen.

"We hebben een baanbrekende methodologie ontwikkeld voor het bepalen van de structuren die de fysische en chemische eigenschappen van nanodeeltjes op atomair niveau in hun oorspronkelijke omgeving bepalen. De methodologie zal belangrijke aanwijzingen opleveren bij de synthese van nanomaterialen. Het algoritme dat we hebben geïntroduceerd is gerelateerd aan nieuwe ontwikkeling door middel van structuuranalyse van eiwitten en big data-analyse, dus we verwachten verdere toepassing op nieuw convergentieonderzoek, " merkt directeur Hyeon Taeghwan van het IBS Center for Nanoparticle Research op.