Mért nanorészecskék atomszerkezete
A tudósoknak először sikerült megmérni az egyes nanorészecskék atomszerkezetét. A jövőben a kísérleti úton nyert adatok lehetővé tehetik a nanorészecskék tulajdonságainak jobb megértését.
Kémiai szempontból a nanorészecskék más tulajdonságokkal bírnak, mint a „nagy nővérek és testvérek”: Apró tömegükhöz képest nagyon nagy a felületük, ugyanakkor kis számú atom van. Ez kvantumhatásokhoz vezethet, amelyek megváltoztatják az anyag tulajdonságait. Például a nanoanyagokból készült kerámiák hirtelen meghajlíthatók, vagy egy aranyrög arany színű, míg nanomérete vöröses. Eddig ezeknek a megváltozott tulajdonságoknak az élő organizmusokra gyakorolt hatása kevéssé kutatott. Nemrégiben egy tanulmány keltett felkelést, miszerint a nanorészecskék, például a fogkrémben lévő titán-oxid vagy a napkrémek állítólag hasonló hatásúak, mint az emberi tüdőben lévő azbeszt.
Új módszer kifejlesztve
A nanorészecskék pontos 3D szerkezete, atomi elrendezése és különösen a felületi tulajdonságai meghatározzák kémiai és fizikai tulajdonságukat. Marta D. Rossell, az ETH tudósának, a Markus Niederberger, a Multifunkcionális Anyagok Intézete professzora és az Empa kutatója, Rolf Erni által kezdeményezett új tanulmányában most először azonosították az egyes nanorészecskék háromdimenziós szerkezetét atomi alapon. A jövőben az új folyamat segíthet jobban megérteni a nanorészecskék természetét, beleértve azok reakcióképességét és toxicitását.
Gyengéd képalkotó eljárások
Elektronmikroszkópos vizsgálatukhoz, amelyet ma a Nature folyóiratban publikáltak, Rossell és Erni ezüst nanorészecskéket készítettek alumínium mátrixban. A mátrix megkönnyíti a nanorészecskék különböző kristálytani orientációkba döntését az elektronnyaláb alatt, és egyúttal megvédi a részecskéket az elektronnyalábok által okozott károsodásoktól. A vizsgálat alapvető követelménye egy speciális elektronmikroszkóp volt, amelynek maximális felbontása kevesebb, mint 50 pikométer volt. Összehasonlításképpen: az atom átmérője körülbelül egy angström, ami 100 pikométer. A minta további védelme érdekében az elektronmikroszkópot úgy állították be, hogy még alacsony gyorsítófeszültség mellett is, 80 kilovoltos sebességgel, atomfelbontású képeket hozzon létre. Jellemzően az ilyen elektronmikroszkópok - amelyekből világszerte csak kevés van - 200 vagy 300 kilovolton üzemelnek. A két tudós mikroszkópot használt Kaliforniában, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban a kísérleteihez. A kísérleti adatokat végül kiegészítették az Empa-nál végzett elektronmikroszkópos mérésekkel.
Élesített képek
A mikroszkópos képek alapján Sandra Van Aert, az Antwerpen Egyetem modelljei olyan modelleket készítettek, amelyek "élesítik" a képeket, és lehetővé teszik számszerűsítését: A modell által finomított képek lehetővé tették a nanorészecske kristályrácsát átfogó egyes ezüstatomok különböző kristálytani orientációk mentén történő összehangolását. számolás.
A nanorészecske atomelrendezésének háromdimenziós rekonstrukciójához Rossell és Erni végül a tomográfiai szakembert, Amszterdamból hozta Joost Batenburgot. Ez a kapott adatokat felhasználta a nanorészecske atomjainak elrendezésének tomográfiai rekonstrukciójára speciális matematikai algoritmusok segítségével. Csak körülbelül két kép volt elegendő a körülbelül 784 atomból álló nanorészecske reprodukálásához. Rossell és Erni további két kísérleti vetülete végül igazolta a rekonstrukciót. "Eddig csak a nanorészecskék durva körvonalait lehetett ábrázolni, sok kép felhasználásával, különböző nézőpontokból" - mondja Marta Rossell. Az atomszerkezeteket viszont csak kísérleti alapok nélkül lehetett csak szimulálni a számítógépen.
"Most tervezik a folyamat alkalmazását, például az adalékolt nanorészecskék jellemzésére" - mondja Rolf Erni. A jövőben a módszert fel lehet használni annak meghatározására, hogy mely atomkonfigurációk aktívak a nanorészecskék felületén, például ha toxikus vagy katalitikus hatása van. Rossell hangsúlyozza, hogy a tanulmány elvileg minden nanorészecskére alkalmazható. Az előfeltétel azonban olyan kísérleti adatok, mint amilyeneket a vizsgálat során nyertünk.
Bibliográfia:
Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Kristályos nanorészecskék háromdimenziós atomi képalkotása, Nature (2011) 470, 374-377, doi: 10.1038/nature09741