Quante cariche elettriche ha una nanoparticella di platino? Grazie a una tecnica migliorata di olografia elettronica ad alta precisione, è ora possibile rispondere a questa domanda contando direttamente le cariche, fino al livello di un singolo elettrone. La tecnica, sviluppata dai ricercatori della Kyushu University e della Hitachi Ltd in Giappone, potrebbe aiutare gli scienziati a creare catalizzatori più efficienti.
La rimozione di una o due cariche negative da una nanoparticella può cambiare in modo significativo il suo comportamento come catalizzatore. Per questo motivo, determinare lo stato di carica delle singole nanoparticelle su una superficie di ossido di metallo è un compito importante per l'ingegneria dei catalizzatori, spiega il leader del team Yasukazu Murakami, uno scienziato dei materiali quantistici presso Kyushu. Il problema è che le attuali tecniche per farlo, come la spettroscopia di fotoemissione di raggi X, forniscono solo informazioni sulla carica mediate su molte nanoparticelle.
Olografia elettronica
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato l'olografia elettronica (un tipo di microscopia elettronica a trasmissione) per identificare direttamente il potenziale elettrostatico creato dalle nanoparticelle di platino su una superficie di ossido di titanio, una combinazione di materiali spesso utilizzati come catalizzatore per accelerare le reazioni chimiche. . Nell'olografia elettronica, un elettrone che interagisce con campi elettrici e magnetici produce uno sfasamento nella funzione d'onda dell'elettrone che può quindi essere identificato confrontandolo con un elettrone di riferimento che non ha interagito con un campo.
Misurando i campi attorno alle nanoparticelle di platino, Murakami e colleghi hanno determinato il numero di elettroni "extra" o "mancanti" ad esse associati. Le loro misurazioni hanno mostrato che una nanoparticella potrebbe guadagnare o perdere ovunque tra uno e sei elettroni.
I ricercatori affermano che il meccanismo alla base della carica del platino implica una differenza nelle funzioni di lavoro (l'energia richiesta per ritirare completamente un elettrone da una superficie metallica) di platino e biossido di titanio (TiO2). Questa differenza dipende dall'orientamento delle nanoparticelle sul TiO2 e la distorsione del reticolo cristallino.
Riduzione del rumore meccanico ed elettrico
Un elemento centrale nei risultati dei ricercatori è stata una serie di miglioramenti apportati a un microscopio olografico a risoluzione atomica da 1.2 MV sviluppato e gestito da Hitachi. Questo strumento riduce il rumore meccanico ed elettrico e quindi elabora i dati per estrarre ulteriormente il segnale dal rumore, spiega Murakami.
L'olografia quantistica visualizza oggetti con luce non rilevata
"L'olografia elettronica ad alta precisione potrebbe essere applicata a studi all'avanguardia in fisica della materia condensata, chimica inorganica, compresa la catalisi, dispositivi spintronici/semiconduttori, nuovi tipi di batterie e altri argomenti in cui è essenziale un'analisi completa del campo elettromagnetico", ha affermato. racconta Mondo della fisica.
In questo studio, che è dettagliato in Scienze, i ricercatori hanno misurato la carica su singole nanoparticelle nel vuoto. Tuttavia, in futuro sperano di ripetere i loro esperimenti in un ambiente gassoso. "Tali studi rifletterebbero le condizioni in cui vengono impiegati i catalizzatori funzionanti", afferma Murakami.
