Fig. 1:Dynamisk analys av en utgångsvåg. en Illustration av den generiska modellen Ekv. (1) av utgångsvågens imaginära del Im( <ΨN(r)> ) från en statisk kolumn av atomer, modulerad av DW-faktorer, och en dynamisk kolumn med atomexkursioner som överstiger DW-värdet. b–f Benchmark-tillämpning av modell Ekv. (1) till analysen av en Co–Mo–S nanokristall. b Den imaginära delen av EW1 av en Co–Mo–S nanokristall sedd i <001> orientering. c Höjdkarta som visar atomkolumnpositionerna längs strålriktningen med avseende på ett gemensamt bildplan som en funktion av positionen i bildplanet. d V/(πR2) karta som visar de projicerade atomkolumnpotentialerna skalade med atomernas medelarea. e Rav-karta som visar spridningsradien för atomkolumnerna. f V-karta som visar den integrerade potentialen för atomkolumnerna. Kredit:DOI:10.1038/s41467-021-24857-4
På senare år har en grupp ledande forskare inom elektronmikroskopi och katalys har arbetat med att fastställa de tredimensionella arrangemangen av atomer i nanopartikelkatalysatorer i kemiska processer. Deras arbete har kombinerat experimentella mätningar med matematisk modellering.
Resultatet är en ny metod som gör det möjligt att identifiera och lokalisera de enskilda atomerna i nanopartikeln, även om de vibrerar och rör sig.
Tills nu, atomer i nanopartiklar har förväntats vara statiska under observationer. Men forskarnas analyser av 3D-bilder i atomskala visade att den ursprungliga förväntningen inte är tillräcklig. Istället, forskarna avslöjade ett dynamiskt beteende hos atomerna med en ny analysmetod.
I sitt arbete, forskarna har valt att använda ett välkänt katalytiskt nanopartikelmaterial, nämligen molybdendisulfid. Eftersom materialets atomstruktur är välkänd, det gav en bra grund för att tolka forskargruppens 3D-atomupplösta bilder sammanställda med det unika TEAM 0,5 elektronmikroskopet vid Lawrence Berkeley National Laboratory, som erbjuder den högsta upplösningen i pikometerskalan i världen.
Den nya metoden beskrivs och publiceras i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .
Ny modell säkerställer identifiering av atomer
Den matematiska modellen gör det möjligt att identifiera de enskilda atomerna i nanopartikeln, även om de rör på sig. Modellen mäter både intensiteten och bredden på atomerna i bilderna.
"Tills nu, att bestämma vilken atom vi observerar har varit utmanande på grund av suddighet orsakad av atomernas svängningar. Dock, genom att ta hänsyn till svängningarna, vi kan mer exakt identifiera, till exempel, platsen för enskilda svavel- eller molybdenatomer, säger professor Stig Helveg, DTU Fysik, som ingår i forskargruppen.
Den nya modellen gör det också möjligt att korrigera förändringar av nanopartiklarna i form av svängningar till följd av belysningen av energiska elektroner i elektronmikroskopet. Det kommer alltså att göra det möjligt att fokusera på den kemiska information som döljs i bilderna, atom för atom – vilket är kärnan i forskningen.
Nästa steg är mätfunktionen
Forskarna hoppas att den nya banbrytande modellen kommer att kunna användas av andra forskare inom sitt område. Modellen ska också ge underlag för Stig Helvegs nya grundforskningscentrum vid DTU, SYN.
Här, fokus kommer att fortsätta ett steg bortom genom att kombinera de atomupplösta bilderna med mätningar av nanopartiklarnas katalytiska egenskaper. Den kunskap som produceras kommer att bidra till utvecklingen av nanopartiklar för katalytiska processer som en del av omställningen till hållbar energi.
