Gli scienziati in Giappone hanno ora contato il numero di cariche extra o mancanti fino a una precisione di un solo elettrone in singole nanoparticelle di platino con diametri solo un decimo di quelli dei virus comuni
Un obiettivo nella caratterizzazione dei catalizzatori metallici supportati è quello di ottenere un'analisi particella per particella dello stato di carica fortemente correlato con l'attività catalitica. Questo nuovo processo per studiare con precisione le differenze di carica netta sulle nanoparticelle metalliche aiuterà nell'ulteriore comprensione e sviluppo di catalizzatori per scomporre i gas serra e altri gas nocivi in combustibili e gas benigni o per produrre in modo efficiente l'ammoniaca necessaria per i fertilizzanti utilizzati in agricoltura.
Guidato dalla Kyushu University e da Hitachi Ltd., il team di ricerca ha raggiunto questa impresa di conteggio estremo attraverso miglioramenti hardware e software che hanno aumentato di dieci volte la sensibilità di una tecnica chiamata olografia elettronica.
Mentre la microscopia elettronica a trasmissione utilizza un raggio di elettroni per osservare i materiali fino al livello atomico, l'olografia elettronica utilizza le proprietà ondulatorie degli elettroni per sondare i campi elettrici e magnetici.
L'interazione di un elettrone con i campi provoca uno sfasamento nella sua onda che può essere identificato confrontandolo con un'onda di riferimento di un elettrone inalterato.
Nel nuovo lavoro, pubblicato da Science (1) i ricercatori hanno concentrato i loro microscopi su singole nanoparticelle di platino su una superficie di ossido di titanio, una combinazione di materiali che è già noto per agire come catalizzatore e accelerare le reazioni chimiche.
In media, le nanoparticelle di platino avevano diametri di soli 10 nm, così piccoli che ne sarebbero serviti quasi 100.000 per coprire un millimetro.
«Sebbene ogni particella contenga alcune decine di migliaia di atomi di platino, l'aggiunta o la rimozione di uno o due elettroni caricati negativamente provoca cambiamenti significativi nel comportamento dei materiali come catalizzatori», afferma il dottor Ryotaro Aso (2), professore associato presso la Facoltà di Ingegneria presso la Kyushu University e primo autore dell'articolo sulla rivista Science che riporta il lavoro.
Misurando i campi attorno a una nanoparticella di platino, che variano a seconda dello squilibrio delle cariche positive e negative nella particella, in un ambiente privo di aria, i ricercatori potrebbero determinare il numero di elettroni extra o mancanti che creano i campi.
«Tra i milioni di protoni caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente che si bilanciano a vicenda nella nanoparticella, potremmo dire con successo se il numero di protoni ed elettroni fosse diverso solo di uno», spiega Aso.
Sebbene i campi siano troppo deboli per essere osservati con i metodi precedenti, i ricercatori hanno migliorato la sensibilità utilizzando un microscopio olografia all'avanguardia a risoluzione atomica 1.2-MV sviluppato e gestito da Hitachi che riduce il rumore meccanico ed elettrico e quindi elabora i dati per eliminare ulteriormente il segnale dal rumore.
Sviluppata da Yoshihiro Midoh (3) dell'Osaka University, uno dei coautori dell'articolo, la tecnica di elaborazione del segnale ha utilizzato il cosiddetto modello so-called wavelet hidden Markov (WHMM) per ridurre il rumore senza rimuovere anche i segnali estremamente deboli di interesse.
Oltre a identificare lo stato di carica delle singole nanoparticelle, i ricercatori sono stati in grado di mettere in relazione le differenze nel numero di elettroni, che variava da uno a sei, alle differenze nella struttura cristallina delle nanoparticelle.
Sebbene il numero di elettroni per area sia stato precedentemente riportato calcolando la media su una misurazione di un'ampia area di molte particelle, questa è la prima volta che gli scienziati possono misurare la differenza di un singolo elettrone in una singola particella.
Il dottor Yasukazu Murakami (4), professore presso la Facoltà di Ingegneria presso la Kyushu University e supervisore del team Kyushu U, commenta: «Combinando innovazioni nell'hardware della microscopia e nell'elaborazione del segnale, siamo in grado di studiare i fenomeni a livelli sempre più piccoli. In questa prima dimostrazione, abbiamo misurato la carica su una singola nanoparticella nel vuoto. In futuro, speriamo di superare le sfide che attualmente ci impediscono di eseguire le stesse misurazioni in presenza di gas per ottenere informazioni in ambienti più vicini alle applicazioni effettive».
La Kyushu University (5) è uno dei principali istituti di istruzione superiore orientati alla ricerca del Giappone sin dalla sua fondazione nel 1911. Sede di circa 19.000 studenti e 8.000 docenti e personale, i centri di ricerca di livello mondiale di Kyushu U coprono un'ampia gamma di aree di studio e campi di ricerca, da dalle scienze umane e artistiche all'ingegneria e alle scienze mediche. I suoi numerosi campus, incluso il più grande del Giappone, si trovano intorno alla città di Fukuoka, una metropoli costiera sull'isola giapponese sudoccidentale di Kyushu, spesso classificata tra le città più vivibili del mondo e storicamente conosciuta come una porta per l'Asia.
Hitachi (6) guida il Social Innovation Business, creando una società sostenibile con dati e tecnologia. Risolveremo le sfide dei clienti e della società con le soluzioni Lumada (7) che sfruttano IT, OT (Tecnologia operativa) e prodotti, nell'ambito della struttura aziendale di Sistemi e servizi digitali, Energia verde e mobilità, Industrie connettive e Sistemi automobilistici. Spinti dall'ecologia, digitale e innovazione, miriamo alla crescita attraverso la collaborazione con i nostri clienti. I ricavi consolidati della società per l'anno fiscale 2021 (terminato il 31 marzo 2022) sono stati pari a 10.264,6 miliardi di yen (84.136 milioni di dollari), con 853 filiali consolidate e circa 370.000 dipendenti in tutto il mondo.
Riferimenti:
(1) Direct identification of the charge state in a single platinum nanoparticle on titanium oxide
(2) Ryotaro Aso
(3) Yoshihiro Midoh
(6) Hitachi Global
Descrizione foto: Dal 1966, Hitachi ha sviluppato il microscopio elettronico a olografia come strumento per l'osservazione diretta di campi elettrici e magnetici in regioni estremamente piccole e nel 2014 ha sviluppato un microscopio elettronico a olografia a risoluzione atomica da 1,2 MV con una sovvenzione nell'ambito del programma di finanziamento per la ricerca e lo sviluppo innovativo leader a livello mondiale su scienza e tecnologia (il “PRIMO programma”), un progetto nazionale sponsorizzato dal governo giapponese. - Credit: Hitachi, Ltd..
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists count electric charges in a signal catalyst nanoparticle down to the electron