(PhysOrg.com) – Forskare kan nu titta in i det inre av katalysatornanopartiklar 3, 000 gånger mindre än ett människohår inom nanosekunder. Resultaten visar vägen mot framtida arbete som avsevärt skulle kunna förbättra katalysatoreffektiviteten i en mängd olika processer som är avgörande för världens energisäkerhet, såsom petroleumkatalys och katalysatorbaserad nanomaterialtillväxt för nästa generations uppladdningsbara batterier.

Arbetet utfördes i ett samarbete mellan Lawrence Livermore National Laboratory och University of California i Davis.

Med hjälp av en ny bildteknik på Lawrence Livermores dynamiska överföringselektronmikroskop (DTEM), forskare har uppnått oöverträffad rumslig och tidsmässig upplösning i enkelbildsbilder av nanopartikelkatalysatorer.

DTEM använder en laserdriven fotokatod för att producera korta pulser av elektroner som kan spela in elektronmikrofotografier med 15 nanosekunders exponeringstid. Det senaste tillägget av en ringformig mörkfältsöppning (ADF) till instrumentet har avsevärt förbättrat dess förmåga att tidsupplösa bilder av nanopartiklar så små som 30 nanometer i diameter.

"Nanopartiklar i detta storleksintervall är av avgörande betydelse för en mängd olika katalytiska processer av stort intresse för energi- och nanoteknikforskare, " sa UC Davis Dan Masiel, tidigare LLNL och huvudförfattare till en artikel som förekommer i tidskriften, ChemPhysChem. "Tidsupplöst avbildning av sådana material kommer att möjliggöra oöverträffad insikt i dynamiken i deras beteende."

Tidigare, partiklar mindre än 50 nanometer kunde inte lösas i 15-nanosekundersexponeringen på grund av den begränsade signalen och låga kontrasten utan ADF-bländare. Men genom att använda DTEM:s ADF, nästan varje 50 nanometer partikel och många 30 nanometer blev tydligt synliga på grund av den snabba tidsupplösningen och höga kontrasten.

"Den skarpa skillnaden mellan dessa två bilder visar tydligt effektiviteten av årlig mörkfältsavbildning vid avbildning av prover med funktionsstorlekar nära upplösningsgränsen för DTEM, sa Masiel.

Den nya tekniken gör det lättare att urskilja signifikanta egenskaper jämfört med ljusfältspulsad avbildning. Det möjliggör avsevärt förbättrad kontrast för mindre partiklar, bredda utbudet av katalysatorsystem som kan studeras med DTEM.

DTEM kan spela in bilder med sex storleksordningar högre temporal upplösning än konventionell TEM och kan ge viktiga insikter i processer som fastransformationer, kemiska reaktioner och tillväxt av nanotrådar och nanorör.

Medförfattare inkluderar LLNL:s Bryan Reed, Thomas LaGrange, Geoffrey Campbell, Ting Guo och Nigel Browning. Arbetet finansierades av Department of Energy's Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Avdelningen för materialvetenskap och teknik.

Artikeln finns i nätupplagan den 27 maj av ChemPhys Chem .