Измерена атомна структура на наночастиците
Учените за първи път успяха да измерват атомната структура на отделни наночастици. В бъдеще експериментално получените данни могат да направят възможно по-доброто разбиране на свойствата на наночастиците.
От химическа гледна точка наночастиците имат различни свойства, отколкото техните „големи сестри и братя“: По отношение на малката си маса те имат много голяма повърхност и в същото време малък брой атоми. Това може да доведе до квантови ефекти, които водят до промяна на свойствата на материала. Например, керамиката, направена от наноматериали, може внезапно да се огъне или златният къс е със златен цвят, докато наномащабът от него е червеникав. Досега ефектите от тези променени свойства върху живите организми са малко проучени. Съвсем наскоро проучване предизвика раздвижване, според което наночастици като титанов оксид в паста за зъби или слънчеви кремове имат сходен ефект като азбеста в белите дробове на човека.
Разработен е нов метод
Точната 3D структура, атомната подредба и особено повърхностните свойства на наночастиците определят техните химични и физични свойства. В ново проучване, инициирано от учен от ETH Марта Д. Росел от групата на Маркус Нидербергер, професор в Института за многофункционални материали и изследовател на Empa Ролф Ерни, триизмерната структура на отделните наночастици вече е идентифицирана за първи път на атомна основа. В бъдеще новият процес може да помогне за по-доброто разбиране на природата на наночастиците, включително тяхната реактивност и токсичност.
Нежни образни процедури
За своето електронно-микроскопско проучване, публикувано днес в списание Nature, Росел и Ерни приготвиха сребърни наночастици в алуминиева матрица. Матрицата улеснява накланянето на наночастиците под електронния лъч в различни кристалографски ориентации и в същото време предпазва частиците от повреда от електронните лъчи. Основното изискване за изследването беше специален електронен микроскоп, който постига максимална разделителна способност под 50 пикометра. За сравнение: диаметърът на атома е около един ангстрем, което е 100 пикометра. За да се защити допълнително пробата, електронният микроскоп е настроен така, че да дава изображения с атомна разделителна способност дори при ниско напрежение на ускорение, при 80 киловолта. Обикновено такива електронни микроскопи - има само няколко в света - работят при 200 или 300 киловолта. Двамата учени са използвали микроскоп в Калифорния, в Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“, за своите експерименти. Експерименталните данни в крайна сметка бяха допълнени от допълнителни електронно-микроскопски измервания, проведени в Empa.
Изострени изображения
Въз основа на микроскопичните изображения, Сандра Ван Аерт от Университета в Антверпен създава модели, които „изострят“ изображенията и позволяват тяхното количествено определяне: Изображенията, усъвършенствани от модела, направиха възможно изравняването на отделните сребърни атоми, които обхващаха кристалната решетка на наночастицата по различни кристалографски ориентации броене.
За триизмерната реконструкция на атомната подредба в наночастицата Росел и Ерни най-накрая донесоха специалиста по томография Йоост Батенбург от Амстердам. Той използва получените данни, за да възстанови разположението на атомите в наночастицата, използвайки специални математически алгоритми. Само две изображения бяха достатъчни за възпроизвеждане на наночастицата, която се състои от около 784 атома. Още две експериментални проекции на Росел и Ерни в крайна сметка потвърдиха реконструкцията. „Досега само грубите очертания на наночастиците можеха да бъдат показани, използвайки много изображения от различни перспективи“, казва Марта Росел. Атомните структури, от друга страна, можеха да се симулират само на компютъра без каквато и да било експериментална основа.
„Сега се планират приложения на процеса, например за характеризиране на легирани наночастици“, казва Ролф Ерни. В бъдеще методът може да се използва, за да се определи кои атомни конфигурации се активират на повърхността на наночастиците, например ако имат токсичен или каталитичен ефект. Росел подчертава, че изследването по принцип може да се приложи към всички наночастици. Експерименталните данни като тези, получени в проучването, обаче са задължително условие.
Библиография:
Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Триизмерно атомно изобразяване на кристални наночастици, Nature (2011) 470, 374-377, doi: 10.1038/nature09741