Använda scanning tunneling microscopy (STM), extremt högupplöst avbildning av de molekyltäckta ytstrukturerna hos silvernanopartiklar är möjlig, även ner till igenkännandet av enskilda delar av molekylerna som skyddar ytan. Detta var upptäckten av gemensam forskning mellan Kina och Finland, ledd i Finland av akademiprofessor Hannu Häkkinen vid Jyväskylä universitet. Forskningen publicerades nyligen i den prestigefyllda Naturkommunikation serien och publikationen valdes av tidskriftsredaktörerna till tidskriftens månatliga samling av markerade tidningar.

Att studera ytstrukturerna hos nanopartiklar vid atomupplösning är avgörande för att förstå de kemiska egenskaperna hos deras strukturer, molekylära interaktioner och partiklars funktion i deras miljöer. Experimentell forskning om ytstrukturer har länge involverat avbildningstekniker lämpliga för upplösning på nanometernivå, de vanligaste är baserade på elektrontunnelering, ovannämnda scanning tunneling microscopy (STM), och atomkraftsmikroskopi (AFM) baserad på mätning av små, krafter i atomskala.

Dock, att uppnå molekylär upplösning vid bildbehandling har visat sig vara mycket utmanande, till exempel eftersom krökningen av objektet som ska avbildas, dvs nanopartikelns yta, är av samma ordning som krökningen av skanningsspetsen. Mätningar är också känsliga för miljöstörningar, som kan påverka den termiska rörelsen av molekyler, till exempel.

Forskarna använde tidigare karakteriserade silvernanopartiklar, med en känd atomstruktur. Metallkärnan i partiklarna har 374 silveratomer och ytan skyddas av en uppsättning av 113 TBTT-molekyler. TBBT (tert-butyl-benzene thiol) är en molekyl med tre separata kolgrupper på sin ände. Partikelns yttre yta har totalt 339 sådana grupper. När denna typ av nanopartikelprov avbildades vid låga temperaturer i STM-experimentet, tydliga sekventiella moduleringar observerades i tunnelströmmen som bildades av bilden (se vänster del av bilden). Liknande moduleringar noterades när individuella TBBT-molekyler avbildades på en plan yta.

Baserat på densitetsfunktionsteori (DFT), simuleringarna utförda av Häkkinens forskargrupp visade att var och en av de tre kolgrupperna i TBBT-molekylen ger sitt eget strömmaximum i STM-bilden (se den högra delen av bilden) och att avstånden mellan maxima motsvarade STM-mätresultaten . Detta bekräftade att mätningen var framgångsrik på submolekylär nivå. Simuleringarna förutspådde också att noggrann STM-mätning inte längre kan vara framgångsrik vid rumstemperatur, eftersom den termiska rörelsen hos molekylerna är så hög att de aktuella maxima för enskilda kolgrupper smälter in i bakgrunden.

"Detta är första gången som STM-avbildning av nanopartikelytstrukturer har kunnat 'se' de enskilda delarna av molekyler. Vårt beräkningsarbete var viktigt för att verifiera de experimentella resultaten. vi ville gå ett steg längre. Eftersom partiklarnas atomstruktur är välkänd, vi hade skäl att fråga om den exakta orienteringen av den avbildade partikeln kunde identifieras med hjälp av simuleringar, säger Häkkinen, som beskriver forskningen.

För detta ändamål, Häkkinens grupp beräknade en simulerad STM-bild av silverpartikeln från 1, 665 olika orienteringar och utvecklade en mönsterigenkänningsalgoritm för att bestämma vilka simulerade bilder som bäst matchade experimentdata.

"Vi tror att vårt arbete visar en ny användbar strategi för avbildning av nanostrukturer. I framtiden, mönsterigenkänningsalgoritmer och artificiell intelligens baserad på maskininlärning kommer att bli oumbärliga för tolkningen av bilder av nanostrukturer. Vårt arbete är det första steget i den riktningen. Det är därför vi också har beslutat att öppet distribuera mönsterigenkänningsmjukvaran vi hade utvecklat till andra forskare, säger Häkkinen.

Nanopartikelsyntesen utfördes i Xiamen University av professor Nanfeng Zhengs forskargrupp och STM-mätningarna utfördes vid Dalian Institute of Chemical Physics under ledning av professor Zhibo Man. Ph.D. Student Sami Kaappa och seniorforskare Sami Malola från professor Häkkinens grupp utförde beräkningarna för projektet. Forskningen inom professor Häkkinens grupp erhåller finansiering från Finlands Akademis AIPSE-program. CSC – IT-centrum för vetenskap i Finland och Barcelona Supercomputing Center tillhandahöll resurserna för alla simuleringar som kräver högeffektsdatorer. Barcelonasimuleringarna var en del av NANOMETALS-projektet som stöddes av PRACE-organisationen.