Att öka vår förståelse för hur enskilda atomer och molekyler deltar i kemiska reaktioner är avgörande för utvecklingen av ny teknologi. Dock, Hittills har det inte varit möjligt att avbilda atomdynamik på metallytor under förhållanden som liknar dem för de industriella processerna av intresse. Nu, forskare från Osaka University har använt in situ miljötransmissionselektronmikroskopi för att visualisera progressiv atomdynamik i verkliga miljöer. Denna betydande prestation har konsekvenser för material som kvantprickar - fluorescerande material som används i lysdioder, solceller, och medicinsk bildbehandling – och nanokatalysatorer som används för att öka effektiviteten i industriella processer. Deras resultat publicerades i Angewandte Chemie International Edition .

Många nanopartikelkatalysatorer och nanoenheter är beroende av migration av atomer från ett tillstånd till ett annat när de utlöses av en elektronisk stimulans som ett intensivt ljus. Experiment som har försökt förstå dessa processer har i allmänhet utförts under förhållanden som inte replikerar tidsskalorna eller atmosfäriska sammansättningar som är relevanta för faktiska tillämpningar. Till exempel, många ytexperiment som traditionell transmissionselektronmikroskopi utförs under vakuum och begränsar därmed tillämpbarheten av fynden.

I denna senaste studie, forskarna rapporterar en in situ miljötransmissionselektronmikroskopi som gör att förändringar i atomdynamiken hos en metallyta i ett starkt elektriskt fält kan visualiseras direkt över tid och under omgivningsförhållanden. Särskilt, de fysiska förändringarna som resulterade från oxidationen av en guldelektrod av syreatomer spårades allteftersom reaktionen fortskred.

"Vi applicerade ett elektriskt fält över ett mycket litet gap mellan guldelektroder, som aktiverade syrgasmolekylerna som finns i atmosfären genom extremt snabb elektrontunnling, ", förklarar studiens huvudförfattare Ryotaro Aso. "Detta ledde i sin tur till progressiva förändringar på ytan av guldelektroderna – i allmänhet betraktade som inaktiva – som vi kunde fånga tydligt i bilder."

Detta är den första rapporterade direkta visualiseringen av progressiva atomära förändringar av en metallyta i ett elektrostatiskt fält under omgivande förhållanden och har kallats en tunneldrivning-elektronansluten-gasprocess.

"Vi förväntar oss att både guldelektrodsystemet vi undersökte och vår miljötransmissionselektronmikroskopi ska ge nya perspektiv för materialvetenskapsforskare, ", förklarar studiens huvudförfattare Ryotaro Aso. "Vi hoppas att den demonstrerade tunnling-elektronanslutna gasprocessen kommer att leda till utvecklingar inom nanokatalysatorer och kvantnanopunkter och möjliggöra skräddarsydda synteser av nya nanomaterial." Sådana nanomaterial kan ha långtgående tillämpningar i skärmar, bildbehandling, och kemisk produktion.