Vad ser du på bilden ovan? Bara en exakt ritad tredimensionell bild av nanopartiklar? Mycket mer än så, nanotekniker kommer att säga, på grund av en ny studie publicerad i tidskriften Vetenskap . Huruvida ett material katalyserar kemiska reaktioner eller hindrar någon molekylär respons handlar om hur dess atomer är ordnade. Det yttersta målet för nanoteknik är centrerat kring förmågan att designa och bygga material atom för atom, vilket gör det möjligt för forskare att kontrollera sina egenskaper i ett givet scenario. Dock, atomavbildningstekniker har inte varit tillräckliga för att bestämma de exakta tredimensionella atomarrangemangen av material i flytande lösning, som skulle berätta för forskare hur material beter sig i vardagen, såsom i vatten eller blodplasma.

Forskare vid Centrum för nanopartikelforskning inom Institutet för basvetenskap (IBS, Sydkorea), i samarbete med Dr Hans Elmlund vid Monash Universitys Biomedicine Discovery Institute i Australien och Dr Peter Ercius vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry i USA, har rapporterat en ny analytisk metodik som kan lösa 3D-strukturen hos enskilda nanopartiklar med atomär nivåupplösning. 3D-atompositionerna för enskilda nanopartiklar kan extraheras med en precision på 0,02 nm - sex gånger mindre än den minsta atomen:väte. Med andra ord, denna högupplösta metod detekterar individuella atomer och hur de är ordnade i en nanopartikel.

Forskarna kallar sin utveckling 3-D SINGLE (Structure Identification of Nanoptics by Graphene Liquid cell Electron microscopy) och använder matematiska algoritmer för att härleda 3-D-strukturer från en uppsättning 2-D-bilddata som förvärvats av ett av de mest kraftfulla mikroskopen på jorden . Först, en nanokristalllösning är inklämd mellan två grafenark som var och en bara är en enda atom tjock. "Om en fiskskål var gjord av ett tjockt material, det skulle vara svårt att se igenom det. Eftersom grafen är det tunnaste och starkaste materialet i världen, vi skapade grafenfickor som låter elektronstrålen i mikroskopet lysa genom materialet samtidigt som det förseglar vätskeprovet, " förklarar Park Jungwon, en av motsvarande författare till studien (biträdande professor vid School of Chemical and Biological Engineering i Seoul National University).

Forskarna får filmer med 400 bilder per sekund av varje nanopartikel som roterar fritt i vätska med hjälp av ett högupplöst transmissionselektronmikroskop (TEM). Teamet tillämpar sedan sin rekonstruktionsmetodik för att kombinera 2D-bilderna till en 3D-karta som visar atomarrangemanget. Att lokalisera den exakta positionen för varje atom berättar forskarna hur nanopartikeln skapades och hur den kommer att interagera i kemiska reaktioner.

Studien definierade atomstrukturerna för åtta platinananopartiklar - platina är den mest värdefulla av de ädla metallerna, används i ett antal tillämpningar såsom katalytiska material för energilagring i bränsleceller och petroleumraffinering. Även om alla partiklar syntetiserades i samma sats, de visade viktiga skillnader i sina atomära strukturer som påverkar deras prestanda.

"Nu är det möjligt att experimentellt bestämma de exakta 3D-strukturerna av nanomaterial som bara hade spekulerats teoretiskt. Metodiken vi utvecklat kommer att bidra till områden där nanomaterial används, som bränsleceller, vätgasfordon, och petrokemisk syntes, " säger Dr Kim Byung Hyo, studiens första författare. I synnerhet, denna metod kan mäta atomförskjutningen och belastningen på ytatomerna hos enskilda nanopartiklar. Stamanalysen från 3D-rekonstruktionen underlättar karakterisering av de aktiva platserna för nanokatalysatorer på atomär skala, vilket kommer att möjliggöra strukturbaserad design för att förbättra de katalytiska aktiviteterna. Metodiken kan också mer allmänt bidra till att förbättra nanomaterials prestanda.

"Vi har utvecklat en banbrytande metod för att bestämma de strukturer som styr de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos nanopartiklar på atomnivå i deras inhemska miljö. Metodiken kommer att ge viktiga ledtrådar i syntesen av nanomaterial. Algoritmen vi introducerade är relaterad till nytt läkemedel utveckling genom strukturanalys av proteiner och big data-analys, så vi förväntar oss ytterligare tillämpning på ny konvergensforskning, " konstaterar direktör Hyeon Taeghwan vid IBS Center for Nanopartikelforskning.