Forskare vid Chalmers tekniska universitet har utvecklat ett nytt sätt att studera nanopartiklar en i taget, och har upptäckt att enskilda partiklar som kan verka identiska faktiskt kan ha mycket olika egenskaper. Resultaten, som kan visa sig vara viktiga när man utvecklar nya material eller applikationer som vätsensorer för bränslecellsbilar, kommer att publiceras i Naturmaterial .

"Vi kunde visa att du får djupare insikter i fysiken om hur nanomaterial interagerar med molekyler i deras miljö genom att titta på den enskilda nanopartikeln i motsats till att titta på många av dem samtidigt, vilket är vad man brukar göra, "säger docent Christoph Langhammer, som ledde projektet.

Genom att tillämpa en ny experimentell metod som kallas plasmonisk nanospektroskopi, gruppen studerade väteabsorption i enkla palladiumnanopartiklar. De fann att partiklar med exakt samma form och storlek kan uppvisa skillnader så stora som 40 millibar i trycket vid vilket väte absorberas. Utvecklingen av sensorer som kan upptäcka vätgasläckage i bränslecellsdrivna bilar är ett exempel på var denna nya förståelse kan bli värdefull i framtiden.

"En huvudutmaning när man arbetar med vätesensorer är att designa material vars reaktion på väte är så linjär och reversibel som möjligt. På så sätt kan den grundläggande förståelsen för orsakerna till skillnaderna mellan till synes identiska enskilda partiklar och hur detta gör svaret irreversibelt i ett visst vätekoncentrationsintervall kan vara till hjälp, säger Christoph Langhammer.

Andra har tittat på enstaka nanopartiklar en i taget, men den nya metoden som introducerades av Chalmers -teamet använder synligt ljus med låg intensitet för att studera partiklarna. Detta innebär att metoden är icke-invasiv och inte stör det system som den undersöker, till exempel, värmer upp det.

"När du studerar enskilda nanopartiklar måste du skicka någon sorts sond för att fråga partikeln" vad gör du? ". Detta innebär vanligtvis att fokusera en stråle av högenergi-elektroner eller fotoner eller en mekanisk sond på en mycket liten volym. Du då snabbt få mycket höga energitätheter, vilket kan störa processen du vill titta på. Denna effekt minimeras i vårt nya tillvägagångssätt, som också är kompatibel med omgivande förhållanden, vilket innebär att vi kan studera nanopartiklar en i taget i så nära en realistisk miljö som möjligt ", säger Christoph Langhammer.

Även om de nu har nått den nivå där deras resultat är redo att publiceras, Christoph Langhammer tror att de precis har repat ytan på vad deras upptäckt och utvecklade experimentella metodik kommer att leda till i samband med vidare forskning. Han hoppas att de har hjälpt till att etablera ett nytt experimentellt paradigm, där att titta på nanopartiklar individuellt kommer att bli standard i den vetenskapliga världen.

"Det är inte tillräckligt bra att titta på, och får därmed i genomsnitt, hundratals eller miljontals partiklar om du vill förstå detaljerna om hur nanopartiklar beter sig i olika miljöer och applikationer. Du måste titta på enskilda, och vi har hittat ett nytt sätt att göra det. "

"Min egen långsiktiga vision är att tillämpa vår metod på mer komplexa processer och material, och att skjuta gränserna när det gäller hur små nanopartiklar kan vara för att vi ska kunna mäta dem. Förhoppningsvis, längs vägen, vi kommer att få ännu djupare insikter i den fascinerande världen av nanomaterial. "