Förutom deras huvudkomponenter beror egenskaperna hos kristallina och nanoporösa material ofta avgörande på gästatomer eller joner som är inbäddade i de små porerna i deras gitterstruktur. Det gäller högteknologiska material som används inom sensor- eller separationsteknik samt naturmaterial. Den blåaktiga ädelstensakvamarinen skulle till exempel vara färglös utan sådana gästkomponenter.
Att bestämma typ och placering av gästkomponenter är svårt, eftersom många material reagerar känsligt på strålningsemissioner från elektronmikroskop.
Tack vare en ny metod utvecklad av ett team ledd av Daniel Knez och Ferdinand Hofer vid Institutet för elektronmikroskopi och nanoanalys vid Graz tekniska universitet (TU Graz) kan detta nu göras med mindre strålning och är därför mycket enklare. Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Communications Materials.
"Det unika med vår metod ligger i det faktum att vi kan bestämma den tredimensionella fördelningen av joner i kristallkanaler eller nanoporer baserat på en enda elektronmikroskopbild", säger Daniel Knez.
Forskarna utvecklade sin metod samtidigt som de analyserade ädelstenen akvamarin. Hittills var det inte känt var exakt järnet som ger stenen sin blå färg är placerat i kristallen.
En hypotes var att enskilda järnatomer sitter fast i porerna och skapar denna effekt därifrån. Men detta har nu motbevisats. Forskarna har i sina experiment konstaterat att det inte finns något järn i porerna utan istället cesiumjoner. De färggivande järnatomerna är belägna i omedelbar närhet av cesiumjonerna, men är integrerade i kristallgittrets kolumner.
En enda bild med atomupplösning som grund
För sina experiment spelade forskarna in en så kallad Z-kontrastbild av akvamarinkristallen med atomupplösning med hjälp av ASTEM-mikroskopet, ett sveptransmissionselektronmikroskop. Elektronstrålen i ASTEM-mikroskopet är fokuserad på ytan av kristallprovet och tränger också in i materialets porer. Om den träffar joner som är lagrade där visas de som ljusa prickar i bilden.
Baserat på styrkan i kontrasten med tomma porer och de angränsande gitterstrukturerna kan forskarna bestämma typen av inbäddade joner och även uppskatta hur djupt de sitter i porerna.
Dessa data analyserades statistiskt och jämfördes med ett stort antal simuleringar av kristallstrukturen för att kunna uppskatta de olika faktorerna som påverkar den uppmätta signalen.
Den nya metoden lämpar sig förutom grundforskning även för riktad utveckling av nya material. "Vår metod kan användas för att exakt bestämma positionen för dopningsämnen, det vill säga målinriktade funktionskontrollerande tillsatser, i nanoporösa material som zeoliter eller metallorganiska ramverksföreningar", säger Ferdinand Hofer.
Detta underlättar optimeringen av (enatomiga) katalysatorer och fasta elektrolyter i framtida batterier eller utvecklingen av biomedicinska applikationer för att kontrollera läkemedelsupptaget.
Mer information: Daniel Knez et al, Tredimensionell fördelning av individuella atomer i berylkanalerna, Kommunikationsmaterial (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00458-8
Tillhandahålls av Graz University of Technology
