Сколько электрических зарядов имеет наночастица платины? Благодаря усовершенствованному высокоточному методу электронной голографии теперь можно ответить на этот вопрос, подсчитав заряды напрямую, вплоть до уровня одного электрона. Метод, разработанный исследователями из Университета Кюсю и Hitachi Ltd в Японии, может помочь ученым создать более эффективные катализаторы.
Удаление всего одного или двух отрицательных зарядов из наночастицы может существенно изменить ее поведение в качестве катализатора. По этой причине определение состояния заряда отдельных наночастиц на поверхности оксида металла является важной задачей для разработки катализаторов, объясняет руководитель группы. Ясукадзу Мураками, специалист по квантовым материалам в Кюсю. Проблема в том, что современные методы для этого, такие как рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия, предоставляют только информацию о заряде, усредненную по многим наночастицам.
Электронная голография
В новой работе исследователи использовали электронную голографию (разновидность просвечивающей электронной микроскопии) для прямого определения электростатического потенциала, создаваемого наночастицами платины на поверхности оксида титана — комбинации материалов, часто используемых в качестве катализатора для ускорения химических реакций. . В электронной голографии электрон, взаимодействующий с электрическим и магнитным полями, вызывает фазовый сдвиг в волновой функции электрона, который затем можно идентифицировать, сравнивая его с эталонным электроном, который не взаимодействовал с полем.
Измеряя поля вокруг наночастиц платины, Мураками и его коллеги определили количество «лишних» или «недостающих» электронов, связанных с ними. Их измерения показали, что наночастица может получить или потерять от одного до шести электронов.
Исследователи говорят, что механизм зарядки платины включает в себя разницу в работе выхода (энергия, необходимая для полного отрыва электрона от поверхности металла) платины и диоксида титана (TiO2). Эта разница зависит от ориентации наночастиц на поверхности TiO.2 и искажение кристаллической решетки.
Снижение механических и электрических шумов
Центральным элементом достижений исследователей стал ряд усовершенствований, внесенных в голографический микроскоп с атомарным разрешением 1.2 МВ, разработанный и эксплуатируемый Hitachi. Этот инструмент уменьшает механические и электрические шумы, а затем обрабатывает данные, чтобы еще больше отделить сигнал от шума, объясняет Мураками.
Квантовая голография изображает объекты незамеченным светом
«Высокоточная электронная голография может быть применена к передовым исследованиям в области физики конденсированных сред, неорганической химии, включая катализ, спинтронные/полупроводниковые устройства, новые типы батарей и другие предметы, в которых необходим всесторонний анализ электромагнитного поля», — сказал он. рассказывает Мир физики.
В этом исследовании, подробно изложенном в Наука, исследователи измерили заряд отдельных наночастиц в вакууме. Однако в будущем они надеются повторить свои эксперименты в газовой среде. «Такие исследования будут отражать условия, в которых используются рабочие катализаторы», — говорит Мураками.
