Många senaste stora tekniska framsteg inom datorer, kommunikation, energi och biologi har förlitat sig på mycket små material, nanopartiklar, med dimensioner mindre än 1/1, 000:e tjockleken på ett pappersark. Dock, det kan vara svårt att avgöra de bästa nanomaterialen för dessa applikationer eftersom observera nanopartiklar i aktion kräver hög rumslig upplösning i "rörigt, "dynamiska miljöer.

I ett senare steg i denna riktning, ett team av Stanford-ingenjörer har fått en första titt inuti fasförändrande nanopartiklar, belysa hur deras form och kristallinitet - arrangemanget av atomer i kristallen - kan ha dramatiska effekter på deras prestanda.

Arbetet, som beskrivs i Naturmaterial , har omedelbara tillämpningar i utformningen av energilagringsmaterial, men kan så småningom hitta in i datalagring, elektroniska omkopplare och alla enheter där fasomvandlingen av ett material reglerar dess prestanda.

Till exempel, i ett litiumjonbatteri, batteriets förmåga att lagra och frigöra energi beror upprepade gånger på elektrodens förmåga att upprätthålla stora deformationer under flera laddnings- och urladdningscykler utan att försämras. Nyligen, forskare har förbättrat effektiviteten av denna process genom att nanosera elektroderna. Nanopartiklarna möjliggör snabbare laddning, ökad energilagring och förlängd livstid, men det är okänt vilka nanopartiklar som formas, storlekar och kristalliniteter ger bästa prestanda. Att ta upp denna fråga fungerade som inspiration för den aktuella studien, "Rekonstruktion av solutinducerade fasomvandlingar inom enskilda nanokristaller."

Rent generellt, det är svårt att avgöra om beteendet hos en samling nanopartiklar är resultatet av att varje enskild komponent presterar på samma sätt eller om det är medeleffekten för hög- och lågpresterande. Jennifer Dionne, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik, och hennes grupp har studerat beteendet hos enskilda partiklar för att upprätta en starkare koppling mellan struktur och funktion som kan styra utformningen av nästa generations energilagringsmaterial.

I detta experiment, Dionnes grupp undersökte hur olika former och kristallinitet hos palladium-nanopartiklar påverkade deras förmåga att absorbera och frigöra väteatomer-en analog till ett litiumjonbatteri som laddas ur och laddas. De förberedde kubik, pyramidala och ikosahedriska nanopartiklar och utvecklat nya bildtekniker för att titta inuti nanopartiklar på olika vätetryck, bestämma var vätet befann sig.

Tekniken förlitade sig på ett miljööverföringselektronmikroskop, låta ingenjörerna urskilja exakt hur vätet fördelades i nanopartiklarna och göra det med otroligt hög-sub-2-nanometer-upplösning.

"Detta instrument är ett av bara en handfull i sitt slag och låter oss studera material i deras arbetsmiljö, "sa Tarun Narayan, ledande medförfattare till studien och en ny doktorsexamen från Dionnes grupp.

Mikroskopet möjliggör analys av partiklar med hjälp av flera olika tekniker, såsom direktbildning, diffraktion och spektroskopi.

"Varje teknik erbjuder olika information som kan kombineras för att få en komplett, mångdimensionell förståelse av systemet, sa Andrea Baldi, en postdoktor medförfattare och nu fakultetsmedlem vid Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) i Nederländerna.

Forskarna fann att nanopartikelstruktur väsentligt påverkar prestanda. Ikosahedralstrukturerna, till exempel, visa minskad energilagringskapacitet och mer gradvis väteabsorption än de enstaka kristallina kuberna och pyramiderna. Högupplösta kartor över partiklarna visar att väte är uteslutet från partikelns centrum, vilket sänker den totala kapaciteten att införliva väte. Strukturell karaktärisering visar att gradvis absorption av väte sker eftersom olika delar av partikeln absorberar väte vid olika tryck, till skillnad från vad som observeras i enstaka kristaller.

"Vi hade inte kunnat tänka oss att göra sådana här observationer på atomnivå för några år sedan, och det som teamet har visat och uppnått är anmärkningsvärt inom materialavbildningsområdet, "sa medförfattaren Robert Sinclair, professor i materialvetenskap och teknik.

Ai Leen Koh, en personalvetare vid Stanford's Nano Shared Facilities som också var författare till arbetet, sade att "dessa resultat visar hur in situ miljöelektronmikroskopi kan användas för att titta inuti enskilda nanopartiklar som exponeras för vätgas i realtid."

"Med denna förmåga att se inuti nanopartiklar under deras operation, vi kan hjälpa till att designa mästermaterial för nästa generations energilagringsenheter, "sa Dionne, som också är medlem i Stanford Bio-X och Stanford Neurosciences Institute, och ett dotterbolag till Stanford Precourt Institute for Energy.