La recherche fournit également des informations fondamentales pour le développement de futurs catalyseurs.
Une multiplication par dix de la sensibilité de l’holographie électronique expose la charge nette dans une seule nanoparticule de platine avec une précision d’un seul électron.
Si vous vous retrouvez souvent à une distance en comptant vos chaussettes après avoir fait la lessive, vous voudrez peut-être vous asseoir pour cela.
Des chercheurs japonais ont maintenant compté les charges supplémentaires ou manquantes dans une seule nanoparticule de platine dont le diamètre n’est que le dixième de celui des virus courants.
Cette nouvelle méthode d’examen minutieux des changements de charge nette sur les nanoparticules métalliques aidera à mieux comprendre et développer des catalyseurs pour convertir les gaz à effet de serre et autres gaz dangereux en carburants et gaz bénins, ou pour produire efficacement l’ammoniac nécessaire aux engrais agricoles.
Des mesures de sensibilité ultra-élevée et d’holographie électronique de précision autour d’une nanoparticule de platine comme celle présentée ici ont permis aux scientifiques de compter la charge nette dans une seule nanoparticule de catalyseur avec une précision d’un seul électron pour la première fois. Crédit : Murakami Lab, Université de Kyushu
L’équipe d’étude, dirigée par Université de Kyūshū et Hitachi Ltd., ont accompli cet exploit de comptage extraordinaire en améliorant le matériel et les logiciels pour décupler la sensibilité d’une technique connue sous le nom d’holographie électronique.
Alors que la microscopie électronique à transmission utilise un faisceau d’électrons pour observer les matériaux au niveau atomique, l’holographie électronique sonde les champs électriques et magnétiques en utilisant les propriétés ondulatoires des électrons. Lorsqu’un électron interagit avec un champ, il génère un déphasage dans son onde, qui peut être identifié en le comparant à une onde de référence d’un électron non affecté.
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont concentré leurs microscopes sur des nanoparticules uniques de platine sur une surface d’oxyde de titane, une combinaison de matériaux déjà connue pour agir comme catalyseur et accélérer les réactions chimiques.
Depuis 1966, Hitachi développe le microscope électronique holographique comme instrument d’observation directe des champs électriques et magnétiques dans des régions extrêmement petites et, en 2014, a développé un microscope électronique holographique à résolution atomique de 1,2 MV grâce à une subvention dans le cadre du programme de financement. for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (le « programme FIRST »), un projet national parrainé par le gouvernement japonais. Crédit : Hitachi, Ltd.
En moyenne, les nanoparticules de platine avaient des diamètres de seulement 10 nm, si petits qu’il en faudrait près de 100 000 pour couvrir un millimètre.
“Alors que chaque particule contient quelques dizaines de milliers d’atomes de platine, l’ajout ou la suppression d’un ou deux électrons chargés négativement entraîne des changements significatifs dans le comportement des matériaux en tant que catalyseurs”, explique Ryotaro Aso, professeur agrégé à la faculté de l’université de Kyushu. of Engineering et premier auteur de l’article dans la revue La science rendre compte des travaux.
En mesurant les champs juste autour d’une nanoparticule de platine – qui varient en fonction du déséquilibre des charges positives et négatives dans la particule – dans un environnement sans air, les chercheurs ont pu déterminer le nombre d’électrons supplémentaires ou manquants qui créent les champs.
“Parmi les millions de protons chargés positivement et d’électrons chargés négativement s’équilibrant dans la nanoparticule, nous avons pu déterminer avec succès si le nombre de protons et d’électrons était différent d’un seul”, explique Aso.
Cette nouvelle étude met en évidence l’importance de compter directement les charges électriques dans une nanoparticule de catalyseur. Par exemple, dans une nanoparticule de platine sur une surface d’oxyde de titane, la visualisation de la distribution de potentiel par le procédé de réduction de bruit développé en holographie électronique a révélé une charge négative de la nanoparticule avec seulement six électrons supplémentaires. C’est la première fois que les charges par nanoparticule de catalyseur ont été comptées avec une précision d’une charge d’électron. Crédit : Murakami Lab, Université de Kyushu
Bien que les champs soient trop faibles pour être observés avec les méthodes précédentes, les chercheurs ont amélioré la sensibilité en utilisant un microscope holographique à résolution atomique de 1,2 MV à la pointe de la technologie développé et exploité par Hitachi qui réduit le bruit mécanique et électrique, puis traite les données. pour mieux démêler le signal du bruit.
Développé par l’université d’Osaka Yoshihiro Midoh, l’un des co-auteurs de l’article, la technique de traitement du signal a utilisé le soi-disant modèle de Markov caché par ondelettes (WHMM) pour réduire le bruit sans supprimer également les signaux d’intérêt extrêmement faibles.
En plus d’identifier l’état de charge des nanoparticules individuelles, les chercheurs ont pu relier les différences dans le nombre d’électrons, qui variaient de un à six, aux différences dans la structure cristalline des nanoparticules.
Alors que le nombre d’électrons par zone a déjà été rapporté en faisant la moyenne d’une mesure sur une grande surface de nombreuses particules, c’est la première fois que les scientifiques peuvent mesurer une seule différence d’électron dans une seule particule.
« En combinant des percées dans le matériel de microscopie et le traitement du signal, nous sommes en mesure d’étudier le phénomène à des niveaux de plus en plus petits », commente Yasukazu Murakami, professeur à la faculté d’ingénierie de l’Université de Kyushu et superviseur de l’équipe Kyushu U.
« Dans cette première démonstration, nous avons mesuré la charge d’une seule nanoparticule dans le vide. À l’avenir, nous espérons surmonter les défis qui nous empêchent actuellement de faire les mêmes mesures en présence d’un gaz pour obtenir des informations dans des environnements plus proches des applications réelles.
Référence : “Identification directe de l’état de charge dans une nanoparticule de platine unique sur l’oxyde de titane” par Ryotaro Aso, Hajime Hojo, Yoshio Takahashi, Tetsuya Akashi, Yoshihiro Midoh, Fumiaki Ichihashi, Hiroshi Nakajima, Takehiro Tamaoka, Kunio Yubuta, Hiroshi Nakanishi, Hisahiro Einaga, Toshiaki Tanigaki, Hiroyuki Shinada et Yasukazu Murakami, 13 octobre 2022, La science.
DOI : 10.1126/science.abq5868
L’étude a été financée par l’Agence japonaise pour la science et la technologie, la Société japonaise pour la promotion de la science, JST CREST et JSPS KAKENHI.
