Quantas cargas elétricas tem uma nanopartícula de platina? Graças a uma técnica aprimorada de holografia eletrônica de alta precisão, agora é possível responder a essa pergunta contando as cargas diretamente, até o nível de um único elétron. A técnica, desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Kyushu e da Hitachi Ltd no Japão, pode ajudar os cientistas a criar catalisadores mais eficientes.
A remoção de apenas uma ou duas cargas negativas de uma nanopartícula pode alterar significativamente seu comportamento como catalisador. Por esta razão, determinar o estado de carga de nanopartículas individuais em uma superfície de óxido de metal é uma tarefa importante para a engenharia de catalisadores, explica o líder da equipe Yasukazu Murakami, um cientista de materiais quânticos da Kyushu. O problema é que as técnicas atuais para fazer isso, como a espectroscopia de fotoemissão de raios-X, fornecem apenas informações de carga calculadas sobre muitas nanopartículas.
Holografia eletrônica
No novo trabalho, os pesquisadores empregaram a holografia eletrônica (um tipo de microscopia eletrônica de transmissão) para identificar diretamente o potencial eletrostático criado por nanopartículas de platina em uma superfície de óxido de titânio – uma combinação de materiais frequentemente usada como catalisador para acelerar reações químicas . Na holografia eletrônica, um elétron interagindo com campos elétricos e magnéticos produz uma mudança de fase na função de onda do elétron que pode ser identificada comparando-a com um elétron de referência que não interagiu com um campo.
Ao medir os campos ao redor das nanopartículas de platina, Murakami e seus colegas determinaram o número de elétrons “extras” ou “ausentes” associados a eles. Suas medições mostraram que uma nanopartícula pode ganhar ou perder entre um e seis elétrons.
Os pesquisadores dizem que o mecanismo por trás do carregamento da platina envolve uma diferença nas funções de trabalho (a energia necessária para retirar completamente um elétron de uma superfície metálica) de platina e dióxido de titânio (TiO2). Essa diferença depende da orientação das nanopartículas no TiO2 e a distorção da rede cristalina.
Reduzindo o ruído mecânico e elétrico
Um elemento central nas conquistas dos pesquisadores foi uma série de melhorias feitas em um microscópio holográfico de resolução atômica de 1.2 MV desenvolvido e operado pela Hitachi. Este instrumento reduz o ruído mecânico e elétrico e, em seguida, processa os dados para separar ainda mais o sinal do ruído, explica Murakami.
Objetos de imagens de holografia quântica com luz não detectada
“A holografia eletrônica de alta precisão pode ser aplicada a estudos de ponta em física da matéria condensada, química inorgânica, incluindo catálise, dispositivos spintrônicos/semicondutores, novos tipos de baterias e outros assuntos nos quais uma análise abrangente do campo eletromagnético é essencial”, disse ele. diz Mundo da física.
Neste estudo, detalhado em Ciência, os pesquisadores mediram a carga em nanopartículas individuais no vácuo. No entanto, no futuro, eles esperam repetir seus experimentos em um ambiente gasoso. “Esses estudos refletiriam as condições em que os catalisadores de trabalho são empregados”, diz Murakami.
