Hoeveel elektrische ladingen heeft een nanodeeltje platina? Dankzij een verbeterde, zeer nauwkeurige elektronenholografietechniek is het nu mogelijk om deze vraag te beantwoorden door de ladingen direct te tellen, tot op het niveau van een enkel elektron. De techniek, ontwikkeld door onderzoekers van Kyushu University en Hitachi Ltd in Japan, zou wetenschappers kunnen helpen efficiëntere katalysatoren te creëren.
Het verwijderen van slechts één of twee negatieve ladingen van een nanodeeltje kan zijn gedrag als katalysator aanzienlijk veranderen. Daarom is het bepalen van de ladingstoestand van individuele nanodeeltjes op een metaaloxide-oppervlak een belangrijke taak voor de katalysatortechniek, legt teamleider uit Yasukazu Murakami, een wetenschapper op het gebied van kwantummaterialen bij Kyushu. Het probleem is dat de huidige technieken om dit te doen, zoals röntgenfoto-emissiespectroscopie, alleen ladingsinformatie geven die gemiddeld is over vele nanodeeltjes.
Holografie van elektronen
In het nieuwe werk gebruikten de onderzoekers elektronenholografie (een soort transmissie-elektronenmicroscopie) om direct het elektrostatische potentieel te identificeren dat wordt gecreëerd door nanodeeltjes van platina op een oppervlak van titaniumoxide - een combinatie van materialen die vaak worden gebruikt als katalysator om chemische reacties te versnellen. . In elektronenholografie produceert een elektron dat in wisselwerking staat met elektrische en magnetische velden een faseverschuiving in de golffunctie van het elektron die vervolgens kan worden geïdentificeerd door het te vergelijken met een referentie-elektron dat geen interactie heeft gehad met een veld.
Door de velden rond de platina-nanodeeltjes te meten, bepaalden Murakami en collega's het aantal "extra" of "ontbrekende" elektronen dat daarmee verband houdt. Hun metingen toonden aan dat een nanodeeltje ergens tussen de één en zes elektronen kan winnen of verliezen.
De onderzoekers zeggen dat het mechanisme achter het opladen van platina een verschil inhoudt in de werkfuncties (de energie die nodig is om een elektron volledig aan een metalen oppervlak te onttrekken) van platina en titaandioxide (TiO2). Dit verschil hangt af van de oriëntatie van de nanodeeltjes op de TiO2 en de vervorming van het kristalrooster.
Vermindering van mechanische en elektrische ruis
Een centraal element in de resultaten van de onderzoekers was een reeks verbeteringen die waren aangebracht aan een holografiemicroscoop met atomaire resolutie van 1.2 MV, ontwikkeld en beheerd door Hitachi. Dit instrument vermindert mechanische en elektrische ruis en verwerkt vervolgens de gegevens om het signaal verder uit de ruis te halen, legt Murakami uit.
Quantumholografie beeldt objecten af met onopgemerkt licht
"Hoogprecisie-elektronenholografie zou kunnen worden toegepast op baanbrekende studies in de fysica van de gecondenseerde materie, anorganische chemie, inclusief katalyse, spintronische / halfgeleiderapparaten, nieuwe soorten batterijen en andere onderwerpen waarin een uitgebreide analyse van elektromagnetische velden essentieel is," hij vertelt Natuurkunde wereld.
In deze studie, die wordt beschreven in Wetenschap, de onderzoekers maten de lading op enkele nanodeeltjes in een vacuüm. In de toekomst hopen ze echter hun experimenten in een gasvormige omgeving te herhalen. "Dergelijke studies zouden de omstandigheden weerspiegelen waarin werkende katalysatoren worden gebruikt", zegt Murakami.
