Zeoliter har unika porösa atomstrukturer och är användbara som katalysatorer, jonbytare och molekylsilar. Det är svårt att direkt observera materialets lokala atomstrukturer via elektronmikroskopi på grund av lågt elektronbestrålningsmotstånd. Som ett resultat av detta förblir de grundläggande egenskapsstrukturförhållandena för konstruktionerna oklara.
Den senaste utvecklingen av en bildåtergivningsmetod med låg elektrondos känd som optimal ljusfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi (OBF STEM) erbjuder en metod för att rekonstruera bilder med ett högt signal-brusförhållande med hög doseffektivitet.
I den här studien utförde Kousuke Ooe och ett team av forskare inom teknik och nanovetenskap vid University of Tokyo och Japan Fine Ceramics Center observationer av lågdos atomupplösning med metoden att visualisera atomära platser och deras ramverk mellan två typer av zeoliter. Forskarna observerade den komplexa atomstrukturen hos tvillinggränserna i en zeolit av faujasittyp (FAU) för att underlätta karakteriseringen av lokala atomstrukturer över många elektronstrålekänsliga material.
Zeoliter är porösa material som regelbundet arrangeras i nanostora porer lämpade för en mängd olika applikationer under katalys, gasseparation och jonbyte. Materialegenskaperna är nära relaterade till porgeometrin, vilket möjliggör efterföljande interaktioner med adsorberade gästmolekyler och joner. Forskare har hittills använt diffraktometriska metoder för att analysera strukturen hos zeoliter.
Till exempel har materialforskare visat att svepelektronmikroskopi är en kraftfull metod för att analysera lokala strukturer för att observera atomarrangemanget av elektronresistenta material på sub-ångströmsnivå. Zeoliter är dock mer elektronstrålekänsliga jämfört med andra organiska material, vilket begränsar elektronmikroskopi-baserade observationer på grund av elektronbestrålning.
År 1958 observerade materialforskaren J. W. Menter zeoliter med hjälp av ett högupplöst transmissionselektronmikroskop för att rapportera en gitterupplösning på 14 Ångström. Bilder av zeolitramverket förbättrades avsevärt via avancerad bildbehandling på 1990-talet, även om det förblev utmanande att observera atomställena i materialen.
De senaste framstegen inom scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) elektrondetektorer har lett till mer avancerade avbildningsmetoder såsom den optimala ljusfältsmetoden (OBF) STEM för att observera atomstrukturer vid det högsta signal-brusförhållandet för att erhålla atomupplösningsbilder i realtid.
I detta arbete använde Ooe och kollegor OBF-avbildning i realtid för att bestämma arkitekturen för zeoliter vid subangströms upplösning. Resultaten betonade kapaciteten hos avancerad elektronmikroskopi att karakterisera den lokala strukturen hos strålkänsliga material.
Direkt avbildning av atomstrukturer i zeoliter:OBF-avbildning i realtid vs. STEM-avbildning
Zeolitramverket bestod av två byggstenar - sodalitburar och dubbla 6-ledade ringar. Med hjälp av realtidsoptimal bright-field-avbildning (OBF) upptäckte teamet materialets ramverk och använde en elektronsondström på 0,5 pico-ångström för att förhindra strålrelaterade skador för att analysera de typiska oorganiska materialen. De jämförde sedan OBF-bilderna med andra scanningstransmissionselektronmikroskopbilder erhållna under liknande dosförhållanden.
De befintliga STEM-metoderna visade en grundläggande struktur för det materiella ramverket; atomstrukturanalys med denna metod var dock utmanande på grund av en låg strömdos. Däremot erbjöd OBF-bilderna en mer tillförlitlig och tolkningsbar bildkontrast med högre doseffektivitet.
Forskargruppen använde den optimala ljusfältsmetoden för att undersöka atomstrukturen för en tvillinggräns i zeolitstrukturen. Ramverket gjordes genom kubisk stapling av en skiktad strukturenhet känd som ett "faujasitark". Resultaten av avbildning med OBF visade ett effektspektrum av bilden med en informationsöverföring över 1 Ångström. Lågdosbilden av ljuselement med OBF STEM erbjöd ett bättre alternativ för att analysera strukturen hos zeoliter inklusive den lokala symmetriförändringen.
Ooe och kollegor genomförde beräkningar av densitetsfunktionsteori för att undersöka stabiliteten hos tvillinggränsstrukturen där den experimentella bilden överensstämde med dess simulerade motsvarighet.
Teamet tillämpade metoden på en annan typ av zeolitprov för att visa hur det typiska förhållandet av kiselaluminium för dessa prover är avgörande för materialegenskaperna för att påverka vidhäftningen av joner och molekyler. När de tillämpade metoden på ett natriumbaserat zeolitprov för atomobservationer, underlättade resultaten uppfattningen av extra katjonställen med låg beläggning i det zeolitiska ramverket.
På detta sätt utarbetade Kousuke Ooe och kollegor en doseffektiv avbildningsmetod för skanningstransmissionselektronmikroskopi känd som "optimal ljusfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi" (OBF-STEM) för bildbehandling med låg dos atomupplösning. Teamet visade hur metoden direkt avslöjade atomstrukturerna för alla element i ett zeolitmaterial av faujasittyp – ett känt strålkänsligt material med subangströms upplösning i rymden.
Metoden kan användas för att upptäcka gallerdefekter i materialstommen. De visualiserade atomplatserna i ramverket tillsammans med dess fångade katjoner för att få resultat som var i kvantitativ överensstämmelse med bildsimuleringar. Metoden är tillämpbar över strålkänsliga material bortom zeoliter för att karakterisera den lokala atomstrukturen och studera struktur-egenskapsförhållandena för känsliga material.
Mer information: Kousuke Ooe et al, Direkt avbildning av lokala atomära strukturer i zeolit med hjälp av optimal ljusfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865
L. A. Bursill et al, Zeolitiska strukturer som avslöjas med högupplöst elektronmikroskopi, Nature (2004). DOI:10.1038/286111a0
Journalinformation: Vetenskapens framsteg , Natur
© 2023 Science X Network
