Structura atomică a nanoparticulelor măsurată
Oamenii de știință au reușit pentru prima dată să măsoare structura atomică a nanoparticulelor individuale. În viitor, datele obținute experimental ar putea face posibilă înțelegerea mai bună a proprietăților nanoparticulelor.
Din punct de vedere chimic, nanoparticulele au proprietăți diferite de „surorile și frații lor mari”: în raport cu masa lor mică, au o suprafață foarte mare și, în același timp, un număr mic de atomi. Acest lucru poate duce la efecte cuantice care duc la modificarea proprietăților materialului. De exemplu, ceramica fabricată din nanomateriale poate fi brusc îndoită sau o pepită de aur are culoarea aurie, în timp ce o nanoscală a acesteia este roșiatică. Până în prezent, efectele acestor proprietăți modificate asupra organismelor vii au fost puțin cercetate. Recent, un studiu a provocat agitație, potrivit căreia nanoparticulele precum oxidul de titan din pasta de dinți sau cremele solare au un efect similar azbestului din plămânii umani.
Nouă metodă dezvoltată
Structura 3D exactă, dispunerea atomică și în special proprietățile suprafeței nanoparticulelor determină proprietățile lor chimice și fizice. Într-un nou studiu inițiat de omul de știință ETH Marta D. Rossell din grupul lui Markus Niederberger, profesor la Institutul pentru materiale multifuncționale și cercetător Empa Rolf Erni, structura tridimensională a nanoparticulelor individuale a fost acum identificată pentru prima dată pe bază atomică. În viitor, noul proces ar putea ajuta la o mai bună înțelegere a naturii nanoparticulelor, inclusiv reactivitatea și toxicitatea acestora.
Proceduri de imagistică blânde
Pentru studiul lor microscopic electronic, care a fost publicat astăzi în revista Nature, Rossell și Erni au pregătit nanoparticule de argint într-o matrice de aluminiu. Matricea face mai ușoară înclinarea nanoparticulelor în diferite orientări cristalografice sub fasciculul de electroni și în același timp protejează particulele de daunele cauzate de fasciculele de electroni. Cerința de bază pentru studiu a fost un microscop electronic special care a obținut o rezoluție maximă mai mică de 50 de picometri. Pentru comparație: diametrul unui atom este de aproximativ un angstrom, adică 100 picometri. Pentru a proteja în continuare proba, microscopul electronic a fost setat astfel încât să producă imagini cu rezoluție atomică chiar și cu o tensiune de accelerație scăzută, la 80 kilovolți. De obicei, microscoapele electronice de acest tip - există doar câteva în întreaga lume - funcționează la 200 sau 300 kilovolți. Cei doi oameni de știință au folosit un microscop în California, la Laboratorul Național Lawrence Berkeley, pentru experimentele lor. Datele experimentale au fost completate în cele din urmă prin măsurători microscopice electronice suplimentare efectuate la Empa.
Imagini ascuțite
Pe baza imaginilor microscopice, Sandra Van Aert de la Universitatea din Anvers a creat modele care „ascuțesc” imaginile și au permis cuantificarea lor: imaginile rafinate de model au făcut posibilă alinierea atomilor de argint individuali care acopereau rețeaua cristalină a nanoparticulelor de-a lungul diferitelor orientări cristalografice. socoteală.
Pentru reconstrucția tridimensională a aranjamentului atomic din nanoparticule, Rossell și Erni l-au adus în cele din urmă pe specialistul în tomografie Joost Batenburg de la Amsterdam. Aceasta a folosit datele obținute pentru a reconstitui tomografic dispunerea atomilor din nanoparticule folosind algoritmi matematici speciali. Doar două imagini au fost suficiente pentru a reproduce nanoparticulele, care constă în aproximativ 784 de atomi. Alte două proiecții experimentale ale lui Rossell și Erni au verificat în cele din urmă reconstrucția. „Până în prezent, doar contururile aspre ale nanoparticulelor ar putea fi reprezentate folosind multe imagini din perspective diferite”, spune Marta Rossell. Cu toate acestea, structurile atomice ar putea fi simulate numai pe computer fără nicio bază experimentală.
„Aplicațiile procesului, de exemplu pentru a caracteriza nanoparticulele dopate, sunt acum planificate”, spune Rolf Erni. În viitor, metoda ar putea fi utilizată pentru a determina ce configurații atomice sunt active pe suprafața nanoparticulelor, de exemplu dacă au un efect toxic sau catalitic. Rossell subliniază că studiul poate fi în principiu aplicat tuturor nanoparticulelor. Cu toate acestea, datele experimentale precum cele obținute în studiu sunt o condiție prealabilă.
Bibliografie:
Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Imagistica atomică tridimensională a nanoparticulelor cristaline, Nature (2011) 470, 374-377, doi: 10.1038/nature09741