Виміряна атомна структура наночастинок
Вченим вперше вдалося виміряти атомну структуру окремих наночастинок. У майбутньому експериментально отримані дані можуть дати змогу краще зрозуміти властивості наночастинок.
З хімічної точки зору, наночастинки мають інші властивості, ніж їхні «великі сестри та брати»: по відношенню до своєї крихітної маси вони мають дуже велику площу поверхні і, в той же час, невелику кількість атомів. Це може призвести до квантових ефектів, які призведуть до зміни властивостей матеріалу. Наприклад, кераміка, виготовлена з наноматеріалів, може раптово зігнутися, або золотий самородок має золотий колір, тоді як нанорозмір його червонуватий. На сьогодні ефекти цих змінених властивостей на живі організми мало досліджені. Зовсім недавно дослідження викликало сенсацію, згідно з якою такі наночастинки, як оксид титану в зубній пасті або сонцезахисному кремі, мають подібний ефект до азбесту в легенях людини.
Розроблено новий метод
Точна 3D-структура, атомне розташування та особливо поверхневі властивості наночастинок визначають їх хімічні та фізичні властивості. У новому дослідженні, ініційованому вченим ETH Мартою Д. Росселл із групи Маркуса Нідербергера, професора Інституту багатофункціональних матеріалів та дослідника Empa Рольфа Ерні, тривимірну структуру окремих наночастинок визначено вперше на атомній основі. У майбутньому новий процес може допомогти краще зрозуміти природу наночастинок, включаючи їх реакційну здатність та токсичність.
Ніжні процедури візуалізації
Для свого електронно-мікроскопічного дослідження, опублікованого сьогодні в журналі Nature, Росселл та Ерні підготували наночастинки срібла в алюмінієвій матриці. Матриця полегшує нахил наночастинок у різні кристалографічні орієнтації під електронним пучком і одночасно захищає частинки від пошкодження електронними пучками. Основною вимогою для дослідження був спеціальний електронний мікроскоп, який досяг максимальної роздільної здатності менше 50 пікометрів. Для порівняння: діаметр атома становить приблизно один ангстрем, тобто 100 пікометрів. З метою додаткового захисту зразка електронний мікроскоп був створений таким чином, що він створював зображення в атомній роздільній здатності навіть при низькій напрузі прискорення, при 80 кіловольт. Як правило, електронні мікроскопи цього типу - у всьому світі їх небагато - працюють при 200 або 300 кіловольт. Двоє вчених використовували для своїх експериментів мікроскоп у Каліфорнії, в Національній лабораторії Лоуренса Берклі. Експериментальні дані були в кінцевому підсумку доповнені додатковими електронно-мікроскопічними вимірами, які проводились в Empa.
Заточені зображення
На основі мікроскопічних зображень Сандра Ван Аерт з Університету Антверпена створила моделі, які "загострили" зображення і дозволили їх кількісно визначити: Образи, вдосконалені моделлю, дали змогу вирівняти окремі атоми срібла, які охоплювали кристалічну решітку наночастинки, за різною кристалографічною орієнтацією підрахунок.
Для тривимірної реконструкції атомного розташування в наночастинці Росселл та Ерні нарешті привезли спеціаліста з томографії Йооста Батенбурга з Амстердама. Це використовувало дані, отримані для реконструкції розташування атомів в наночастинці томографічно за допомогою спеціальних математичних алгоритмів. Лише двох зображень було достатньо для відтворення наночастинки, яка складається приблизно з 784 атомів. Ще дві експериментальні проекції Росселла та Ерні остаточно підтвердили реконструкцію. "До цього часу лише грубі обриси наночастинок могли бути представлені за допомогою багатьох зображень з різних точок зору", - говорить Марта Росселл. Атомні структури, навпаки, можна було моделювати лише на комп'ютері без будь-якої експериментальної основи.
"Зараз застосовується процес, наприклад, для характеристики легованих наночастинок", - говорить Рольф Ерні. У майбутньому метод можна було б використовувати для визначення того, які атомні конфігурації стають активними на поверхні наночастинок, якщо, наприклад, вони мають токсичну або каталітичну дію. Росселл підкреслює, що дослідження в принципі може бути застосовано до всіх наночастинок. Однак обов’язковою умовою є експериментальні дані, такі як дані, отримані в ході дослідження.
Бібліографія:
Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Тривимірна атомна візуалізація кристалічних наночастинок, Nature (2011) 470, 374-377, doi: 10.1038/nature09741