Zaglądanie w prywatne życie klastrów atomowych - przy użyciu najmniejszych na świecie probówek

Anonim

Eksperci z Nanoskali i Centrum Badań Mikroskopowych (NMRC) na Uniwersytecie w Nottingham zajęli pierwszy szczyt w prywatnym życiu klastrów atomowych.

Udało się już "sfilmować" międzycząsteczkowe reakcje chemiczne - wykorzystując wiązkę elektronów transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) jako narzędzia do obrazowania poklatkowego, teraz osiągnęli w czasie obrazowanie dynamiki w skali atomowej i przemian chemicznych propagowanych przez nanoklastery metalowe. Umożliwiło im to uszeregowanie 14 różnych metali zarówno pod względem wiązania z węglem, jak i ich aktywności katalitycznej, wykazując znaczne różnice w układzie okresowym pierwiastków.

Ich najnowsze dzieło "Porównanie dynamiki skali atomowej dla średnich i późnych nanokatalizatorów metali przejściowych" zostało opublikowane w Nature Communications. Andrei Khlobystov, profesor nanomateriałów i dyrektor ds. NmRC, powiedział: "Dzięki najnowszym osiągnięciom w dziedzinie mikroskopii i spektroskopii wiemy obecnie wiele o zachowaniu cząsteczek i atomów, jednak struktura i dynamika atomowych skupisk metali elementy pozostają tajemnicą, złożona dynamika atomowa ujawniona bezpośrednio przez obrazowanie w czasie rzeczywistym rzuca światło na atomistyczną pracę nanokatalizatorów. "

Wkład w globalny PKB

Dynamika w skali atomowej metalowych nanoklasterów określa ich właściwości funkcjonalne i chemiczne, takie jak aktywność katalityczna - ich zdolność do zwiększania szybkości reakcji chemicznej. Wiele kluczowych procesów przemysłowych opiera się obecnie na nanokatalizatorach, takich jak oczyszczanie wody; technologie ogniw paliwowych; magazynowanie energii; i produkcja biodiesla.

Profesor Khlobystov powiedział: "Przy katalitycznych reakcjach chemicznych przyczyniających się w znacznym stopniu do globalnego PKB, zrozumienie dynamicznego zachowania nanoklastrów na poziomie atomowym jest ważnym i pilnym zadaniem, jednak połączone wyzwanie niejednolitych struktur nanokatalizatorów - na przykład dystrybucja o rozmiarach, kształtach, fazach kryształów - współistniejących w tym samym materiale i ich wysoce dynamicznej naturze - nanoklastery podlegają rozległym strukturom, aw niektórych przypadkach przemianom chemicznym podczas katalizy - praktycznie uniemożliwiają wyjaśnienie atomistycznych mechanizmów ich działania. "

Od dynamiki pojedynczej cząsteczki do skupień atomowych

Profesor Khlobystov poprowadził anglo-niemiecką współpracę, która wykorzystała wpływ wiązki elektronów (e-beam) w transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) do obrazowania dynamiki pojedynczej cząsteczki. Wykorzystując e-beam jednocześnie jako narzędzie obrazowania i źródło energii do napędzania reakcji chemicznych, udało im się sfilmować reakcje cząsteczek. Badanie zostało opublikowane w ubiegłym roku w ACS Nano, flagowym dzienniku nanonauki i nanotechnologii, i wybrane jako wybór redaktora ACS ze względu na jego potencjał dla szerokiego zainteresowania publicznego.

Zamiast kolb laboratoryjnych lub probówek, wykorzystują one najmniejsze na świecie probówki - jednościenne węglowe nanorurki - atomowo cienkie cylindry węgla o wewnętrznej średnicy 1-2 nm, które od 2005 roku utrzymują rekord świata Guinnessa.

Układ okresowy w nanometrowej probówce

Profesor Khlobystov powiedział: "Wykorzystujemy te nanorurki węglowe do próbowania maleńkich skupisk pierwiastków chemicznych, z których każdy składa się z zaledwie kilkudziesięciu atomów. Poprzez uwięzienie nanoklastrów z szeregu powiązanych elementów metalowych, które skutecznie stworzyliśmy w układzie okresowym w teście nano rurki, co pozwala na globalne porównanie chemii metali przejściowych w układzie okresowym.To zawsze było niezwykle trudne, ponieważ większość nanoklastrów metalowych jest bardzo wrażliwych na powietrze.Kombinacja nano-probówki i TEM pozwala nam obserwować nie tylko dynamikę nanoklasterów metalowych, ale także ich wiązania z węglem, które wykazują wyraźne powiązanie z położeniem metalu w układzie okresowym. "

Ute Kaiser, profesor fizyki doświadczalnej i lider grupy mikroskopii elektronowej w dziedzinie nauki o materiałach na Uniwersytecie w Ulm, powiedział: "Skorygowana pod względem aberracji transmisyjna transmisyjna mikroskopia elektronowa i materiały niskowymiarowe, takie jak nanorurki wypełnione metalowymi nanoklasterami, idealnie pasują do nawzajem, ponieważ pozwalają na skuteczne połączenie postępów w chemii analitycznej i teoretycznej z najnowszymi osiągnięciami w mikroskopii elektronowej, prowadząc do nowego zrozumienia zjawisk w skali atomowej, takich jak nanokataliza w tej pracy. "

Oglądanie nanoklastrów w niespotykanej rozdzielczości

Kecheng Cao, Ph.D. student Uniwersytetu w Ulm, który przeprowadził analizę obrazu w tym badaniu, powiedział: "Kiedy patrzę na atomy za pomocą mikroskopu, czasami zatrzymuję oddech, aby zobaczyć niewidoczne szczegóły, które odkrywamy dla nanoklastrów w naszym nowo opracowanym mikroskopie SALVE III zapewniającym niespotykaną rozdzielczość ".

Elena Besley, profesor chemii teoretycznej i obliczeniowej na Uniwersytecie w Nottingham, powiedziała: "Osiągając cel w najdrobniejszych cegiełkach metalu, badanie to wykazało, że nanoklasty metalowe uwięzione w węglanowych nanometrach zapewniają uniwersalną platformę do studiowania chemii metaloorganicznej i umożliwiają bezpośrednią porównanie wiązania i reaktywności różnych metali przejściowych, jak również wyjaśnienie zależności między strukturą a wydajnością nanokatalizatorów - kluczowej dla odkrycia nowych mechanizmów reakcji i bardziej wydajnych katalizatorów przyszłości Badanie to dostarcza pierwszego jakościowego spojrzenia na globalną perspektywę wiązania metal-węgiel. "

Badanie to jest najnowszym z serii ponad 20 wysokiej klasy dokumentów wspólnych na temat mikroskopii elektronowej dla cząsteczek i nanomateriałów opublikowanych w ramach współpracy Ulm-Nottingham.

menu
menu