Исследователи перевели биологический метод, получивший Нобелевскую премию по химии 2017 года, чтобы раскрыть химический состав металлических наночастиц на атомном уровне. Эти материалы являются одними из самых эффективных катализаторов для систем преобразования энергии, таких как топливные элементы.
Это первый раз, когда этот метод был использован для такого рода исследований.
Частицы имеют сложную звездообразную геометрию, и эта новая работа показывает, что края и углы могут иметь различный химический состав, который теперь можно настраивать, чтобы снизить стоимость батарей и каталитических преобразователей.
Нобелевская премия по химии 2017 года была присуждена Иоахиму Франку, Ричарду Хендерсону и Жаку Дюбоше за их роль в разработке техники «реконструкции отдельных частиц». Этот метод электронной микроскопии выявил структуры огромного количества вирусов и белков, но обычно не используется для металлов.
Теперь команда из Манчестерского университета в сотрудничестве с исследователями из Оксфордского университета и Университета Маккуори на основе технологии, получившей Нобелевскую премию, построила трехмерные карты элементов металлических наночастиц, состоящих всего из нескольких тысяч атомов.
Их исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, демонстрирует, что можно отображать различные элементы в нанометровом масштабе в трех измерениях, избегая повреждения изучаемых частиц.
Наночастицы металлов являются основным компонентом многих катализаторов, например, тех, которые используются для преобразования токсичных газов в выхлопных газах автомобилей. Их эффективность во многом зависит от их структуры и химического состава, но из-за их невероятно маленькой структуры требуются электронные микроскопы, чтобы обеспечить их изображение.
Однако большая часть изображений ограничивается 2D-проекциями.
«В течение некоторого времени мы изучали возможность использования томографии в электронном микроскопе для картирования распределения элементов в трех измерениях», – сказала профессор Сара Хей из Школы материалов Манчестерского университета. «Обычно мы вращаем частицу и делаем изображения со всех сторон, как при компьютерной томографии в больнице, но эти частицы разрушали слишком быстро, чтобы можно было построить трехмерное изображение.
Биологи используют другой подход для построения трехмерных изображений, и мы решили изучить, можно ли его использовать вместе со спектроскопическими методами для картирования различных элементов внутри наночастиц."
«Как и« реконструкция одной частицы », этот метод работает, визуализируя множество частиц и предполагая, что все они идентичны по структуре, но расположены с разной ориентацией относительно электронного луча. Затем изображения передаются в компьютерный алгоритм, который выводит трехмерную реконструкцию."
В настоящем исследовании новый метод трехмерной химической визуализации был использован для исследования металлических наночастиц платина-никель (Pt-Ni).
Ведущий автор И-Чи Ван, также из Школы материалов, добавил: «Наночастицы на основе платины – один из наиболее эффективных и широко используемых каталитических материалов в таких приложениях, как топливные элементы и батареи. Наши новые идеи о трехмерном локальном химическом распределении могут помочь исследователям в разработке более эффективных катализаторов, которые являются недорогими и высокоэффективными."
«Мы стремимся автоматизировать наш рабочий процесс трехмерной химической реконструкции в будущем», – добавил автор доктор Томас Слейтер.«Мы надеемся, что он сможет предоставить быстрый и надежный метод визуализации популяций наночастиц, который срочно необходим для ускорения оптимизации синтеза наночастиц для широкого спектра приложений, включая биомедицинское зондирование, светоизлучающие диоды и солнечные элементы."