Wie viele elektrische Ladungen hat ein Platin-Nanopartikel? Dank einer verbesserten hochpräzisen Elektronenholographie-Technik ist es nun möglich, diese Frage zu beantworten, indem die Ladungen direkt bis auf die Ebene eines einzelnen Elektrons gezählt werden. Die Technik, die von Forschern der Kyushu University und Hitachi Ltd in Japan entwickelt wurde, könnte Wissenschaftlern dabei helfen, effizientere Katalysatoren zu entwickeln.
Das Entfernen von nur einer oder zwei negativen Ladungen von einem Nanopartikel kann sein Verhalten als Katalysator erheblich verändern. Aus diesem Grund ist die Bestimmung des Ladungszustands einzelner Nanopartikel auf einer Metalloxidoberfläche eine wichtige Aufgabe für die Katalysatortechnik, erklärt der Teamleiter Yasukazu Murakami, ein Quantenmaterialwissenschaftler bei Kyushu. Das Problem dabei ist, dass aktuelle Techniken dafür, wie etwa die Röntgen-Photoemissionsspektroskopie, nur Ladungsinformationen liefern, die über viele Nanopartikel gemittelt sind.
Elektronenholographie
In der neuen Arbeit verwendeten die Forscher Elektronenholographie (eine Art Transmissionselektronenmikroskopie), um direkt das elektrostatische Potential zu identifizieren, das von Nanopartikeln aus Platin auf einer Oberfläche aus Titanoxid erzeugt wird – einer Kombination von Materialien, die häufig als Katalysator zur Beschleunigung chemischer Reaktionen verwendet werden . In der Elektronenholographie erzeugt ein Elektron, das mit elektrischen und magnetischen Feldern interagiert, eine Phasenverschiebung in der Wellenfunktion des Elektrons, die dann identifiziert werden kann, indem es mit einem Referenzelektron verglichen wird, das nicht mit einem Feld interagiert hat.
Durch Messen der Felder um die Platin-Nanopartikel bestimmten Murakami und Kollegen die Anzahl der damit verbundenen „zusätzlichen“ oder „fehlenden“ Elektronen. Ihre Messungen zeigten, dass ein Nanopartikel zwischen einem und sechs Elektronen aufnehmen oder abgeben kann.
Die Forscher sagen, dass der Mechanismus hinter der Platinladung einen Unterschied in den Austrittsarbeiten (die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron vollständig von einer Metalloberfläche zu entfernen) von Platin und Titandioxid (TiO2). Dieser Unterschied hängt von der Orientierung der Nanopartikel auf dem TiO ab2 und die Verzerrung des Kristallgitters.
Reduzierung von mechanischem und elektrischem Rauschen
Ein zentrales Element der Errungenschaften der Forscher war eine Reihe von Verbesserungen, die an einem von Hitachi entwickelten und betriebenen 1.2-MV-Holographiemikroskop mit atomarer Auflösung vorgenommen wurden. Dieses Instrument reduziert mechanisches und elektrisches Rauschen und verarbeitet dann die Daten, um das Signal weiter aus dem Rauschen herauszulösen, erklärt Murakami.
Quantenholographie bildet Objekte mit unentdecktem Licht ab
„Hochpräzise Elektronenholographie könnte für Spitzenstudien in der Physik der kondensierten Materie, der anorganischen Chemie, einschließlich Katalyse, Spintronik-/Halbleitergeräten, neuen Batterietypen und anderen Themen eingesetzt werden, bei denen eine umfassende Analyse elektromagnetischer Felder unerlässlich ist“, er erzählt Physik-Welt.
In dieser Studie, die detailliert in Wissenschaft, Die Forscher maßen die Ladung an einzelnen Nanopartikeln im Vakuum. In Zukunft hoffen sie jedoch, ihre Experimente in einer gasförmigen Umgebung wiederholen zu können. „Solche Studien würden die Bedingungen widerspiegeln, unter denen funktionierende Katalysatoren eingesetzt werden“, sagt Murakami.
