Des scientifiques japonais ont maintenant compté le nombre de charges supplémentaires – ou manquantes – jusqu’à une précision d’un seul électron dans des nanoparticules de platine uniques dont le diamètre ne représente qu’un dixième de celui des virus courants.

Ce nouveau processus d’étude précise des différences de charge nette sur les nanoparticules métalliques aidera à mieux comprendre et développer des catalyseurs pour décomposer les gaz à effet de serre et autres gaz nocifs en carburants et gaz bénins ou pour produire efficacement l’ammoniac nécessaire aux engrais utilisés en agriculture.

Dirigée par l’Université de Kyushu et Hitachi Ltd., l’équipe de recherche a réalisé cet exploit de comptage extrême grâce à des améliorations matérielles et logicielles qui ont décuplé la sensibilité d’une technique appelée holographie électronique.

Alors que la microscopie électronique à transmission utilise un faisceau d’électrons pour observer les matériaux jusqu’au niveau atomique, l’holographie électronique utilise les propriétés ondulatoires des électrons pour sonder les champs électriques et magnétiques.

L’interaction d’un électron avec des champs provoque un déphasage de 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.

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.

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.

Développée par Yoshihiro Midoh de l’Université d’Osaka, l’un des co-auteurs de l’article, la technique de traitement du signal a utilisé le 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 sur 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 de gaz pour obtenir des informations dans des environnements plus proches des applications réelles. . »

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Université de Kyūshū. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.