I ett labb 18 fot nedanför Engineering Quad vid Stanford University, forskare i Dionne-labbet slog läger med ett av de mest avancerade mikroskopen i världen för att fånga en ofattbart liten reaktion.

Laboratoriets medlemmar genomförde mödosamma experiment - ibland krävde kontinuerligt 30 timmars arbete - för att fånga realtid, dynamiska visualiseringar av atomer som en dag skulle kunna hjälpa våra telefonbatterier att hålla längre och våra elfordon gå längre på en enda laddning.

Arbetar under jorden i de tunnlade labben, de registrerade atomer som rörde sig in och ut ur nanopartiklar mindre än 100 nanometer stora, med en upplösning som närmar sig 1 nanometer.

"Förmågan att direkt visualisera reaktioner i realtid med så hög upplösning kommer att tillåta oss att utforska många obesvarade frågor inom de kemiska och fysikaliska vetenskaperna, " sa Jen Dionne, docent i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Stanford och senior författare till artikeln som beskriver detta arbete, publicerad 16 januari in Naturkommunikation . "Även om experimenten inte är lätta, de skulle inte vara möjliga utan de anmärkningsvärda framstegen inom elektronmikroskopi från det senaste decenniet."

Deras experiment fokuserade på att väte flyttade till palladium, en klass av reaktioner som kallas en interkalationsdriven fasövergång. Denna reaktion är fysiskt analog med hur joner strömmar genom ett batteri eller en bränslecell under laddning och urladdning. Att observera denna process i realtid ger insikt i varför nanopartiklar gör bättre elektroder än bulkmaterial och passar in i Dionnes större intresse för energilagringsenheter som kan ladda snabbare, hålla mer energi och avvärja permanent misslyckande.

Teknisk komplexitet och spöken

För dessa experiment, Dionne-labbet skapade palladium nanokuber, en form av nanopartikel, som varierade i storlek från cirka 15 till 80 nanometer, och placerade dem sedan i en vätgasmiljö i ett elektronmikroskop. Forskarna visste att väte skulle förändra både dimensionerna på gittret och de elektroniska egenskaperna hos nanopartikeln. De trodde att, med lämplig mikroskoplins och bländarkonfiguration, tekniker som kallas sveptransmissionselektronmikroskopi och elektronenergiförlustspektroskopi kan visa väteupptagning i realtid.

Efter månader av försök och misstag, resultaten var extremt detaljerade, realtidsvideor av förändringarna i partikeln när väte introducerades. Hela processen var så komplicerad och ny att första gången den fungerade, labbet hade inte ens videoprogramvaran igång, vilket ledde dem till att fånga sin första filmframgång på en smartphone.

Efter dessa videor, de undersökte nanokuberna under mellanstadier av hydrering med en andra teknik i mikroskop, kallas mörkfältsbilder, som förlitar sig på spridda elektroner. För att pausa hydreringsprocessen, forskarna kastade nanokuberna i ett isbad av flytande kväve i mitten av reaktionen, sänka deras temperatur till 100 grader Kelvin (-280 F). Dessa mörka fältbilder fungerade som ett sätt att kontrollera att appliceringen av elektronstrålen inte hade påverkat de tidigare observationerna och gjorde det möjligt för forskarna att se detaljerade strukturella förändringar under reaktionen.

"Med det genomsnittliga experimentet som sträcker sig över cirka 24 timmar vid denna låga temperatur, vi stod inför många instrumentproblem och ringde Ai Leen Koh [medförfattare och forskare vid Stanfords Nano Shared Facilities] vid de konstigaste timmarna på natten, "mindes Fariah Hayee, ledande medförfattare till studien och doktorand i Dionne-labbet. "Vi stötte till och med på ett "spöke-av-joystick-problem", ' där joysticken verkade flytta provet okontrollerat under en tid."

Medan de flesta elektronmikroskop arbetar med provet hållet i vakuum, mikroskopet som används för denna forskning har den avancerade förmågan att tillåta forskarna att introducera vätskor eller gaser till sitt prov.

"Vi tjänar enormt på att ha tillgång till en av de bästa mikroskopanläggningarna i världen, sa Tarun Narayan, ledande medförfattare till denna studie och nyligen doktorand från Dionne-labbet. "Utan dessa specifika verktyg, vi skulle inte kunna införa vätgas eller kyla ner våra prover tillräckligt mycket för att se dessa processer äga rum."

Trycker ut brister

Förutom att vara ett allmänt tillämpligt proof of concept för denna svit av visualiseringstekniker, Att se atomerna röra sig ger större validering för de stora förhoppningar som många forskare har för lagringsteknik för nanopartiklar.

Forskarna såg atomerna röra sig in genom nanokubens hörn och observerade bildandet av olika brister i partikeln när väte rörde sig inuti den. Det här låter som ett argument mot löftet om nanopartiklar men det är för att det inte är hela historien.

"Nanopartikeln har förmågan att självläka, " sa Dionne. "När du först introducerar väte, partikeln deformeras och förlorar sin perfekta kristallinitet. Men när partikeln har absorberat så mycket väte som den kan, den förvandlar sig själv tillbaka till en perfekt kristall igen."

Forskarna beskriver detta som att ofullkomligheter "knuffas ut" ur nanopartikeln. Denna förmåga hos nanokuben att självläka gör den mer hållbar, en nyckelegenskap som behövs för energilagringsmaterial som klarar många laddnings- och urladdningscykler.

Ser mot framtiden

När effektiviteten av förnybar energi ökar, behovet av energilagring av högre kvalitet är mer pressande än någonsin. Det är troligt att framtidens lagring kommer att förlita sig på nya kemier och resultaten av denna forskning, inklusive mikroskopiteknikerna som forskarna förfinade längs vägen, kommer att gälla för nästan alla lösningar i dessa kategorier.

För sin del, Dionne-labbet har många riktningar det kan gå härifrån. Teamet kunde titta på en mängd olika materialsammansättningar, eller jämför hur storleken och formen på nanopartiklar påverkar hur de fungerar, och, snart, dra nytta av nya uppgraderingar av deras mikroskop för att studera ljusdrivna reaktioner. För närvarande, Hayee har gått vidare till att experimentera med nanorods, som har större yta för jonerna att röra sig genom, lovar potentiellt ännu snabbare kinetik.