För första gången, forskare från Empa och ETH Zürich har, i samarbete med ett nederländskt team, lyckades mäta atomstrukturen hos enskilda nanopartiklar. Tekniken, nyligen publicerad i Natur , kan hjälpa till att bättre förstå egenskaperna hos nanopartiklar i framtiden.

I kemiska termer, nanopartiklar har olika egenskaper från sina «storebröder och systrar»:de har en stor ytarea i förhållande till sin lilla massa och samtidigt ett litet antal atomer. Detta kan ge kvanteffekter som leder till förändrade materialegenskaper. Keramik av nanomaterial kan plötsligt bli böjig, till exempel, eller en guldklimp är guldfärgad medan en nanoslever av den är rödaktig.

Nanopartiklarnas kemiska och fysikaliska egenskaper bestäms av deras exakta tredimensionella morfologi, atomstruktur och särskilt deras ytkomposition. I en studie initierad av ETH Zürichs forskare Marta Rossell och Empa -forskaren Rolf Erni, 3D -strukturen för enskilda nanopartiklar har nu framgångsrikt fastställts på atomnivå. Den nya tekniken kan hjälpa till att förbättra vår förståelse av egenskaperna hos nanopartiklar, inklusive deras reaktivitet och toxicitet.

För deras elektronmikroskopiska studie, som publicerades nyligen i tidningen Natur , Rossell och Erni framställde silver -nanopartiklar i en aluminiummatris. Matrisen gör det lättare att luta nanopartiklarna under elektronstrålen i olika kristallografiska riktningar samtidigt som partiklarna skyddas från skador av elektronstrålen. Grundförutsättningen för studien var ett speciellt elektronmikroskop som når en maximal upplösning på mindre än 50 pikometrar. Som jämförelse:diametern på en atom mäter ungefär en Ångström, dvs 100 pikometrar.

För att skydda provet ytterligare, elektronmikroskopet var upprättat på ett sådant sätt att det också gav bilder med en atomupplösning med en lägre accelerationsspänning, nämligen 80 kilovolt. I vanliga fall, denna typ av mikroskop - av vilka det bara finns några få i världen - fungerar på 200 - 300 kilovolt. De två forskarna använde ett mikroskop vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien för sina experiment. Experimentella data kompletterades med ytterligare elektronmikroskopiska mätningar utförda vid Empa.

På grundval av dessa mikroskopiska bilder, Sandra Van Aert från universitetet i Antwerpen skapade modeller som vässade bilderna och gjorde det möjligt att kvantifiera dem:de förfinade bilderna gjorde det möjligt att räkna de enskilda silveratomerna längs olika kristallografiska riktningar.

För den tredimensionella rekonstruktionen av atomarrangemanget i nanopartikeln, Rossell och Erni tog så småningom hjälp av tomografispecialisten Joost Batenburg från Amsterdam, som använde data för att tomografiskt rekonstruera atomstrukturen i nanopartikeln baserat på en speciell matematisk algoritm. Endast två bilder var tillräckliga för att rekonstruera nanopartikeln, som består av 784 atomer. "Ända tills nu, bara de grova konturerna av nanopartiklar kunde illustreras med många bilder från olika perspektiv, "säger Marta Rossell. Atomstrukturer, å andra sidan, kunde bara simuleras på datorn utan experimentell grund.

"Ansökningar om metoden, såsom att karakterisera dopade nanopartiklar, finns nu på korten, "säger Rolf Erni. Till exempel, metoden kan en dag användas för att bestämma vilka atomkonfigurationer som blir aktiva på ytan av nanopartiklarna om de har en toxisk eller katalytisk effekt. Rossell betonar att studien i princip kan tillämpas på alla typer av nanopartiklar. Förutsättningen, dock, är experimentella data som de som erhållits i studien.