Аналитический метод разрешения трехмерной структуры отдельных наночастиц

Аналитический метод разрешения трехмерной структуры отдельных наночастиц

1919 ]

Внимательное наблюдение трехмерных (3D) визуализаций наночастиц платины показывает только точно нарисованную трехмерную картину. Нанотехнологи, участвующие в новом исследовании, о котором сообщалось в журнале Science наблюдали бы гораздо больше.

Получение трехмерных структур с атомным разрешением в жидкости. Схема показывает жидкий образец, содержащийся между двумя листами графена – самого тонкого, самого прочного из известных материалов. Наночастицы в жидкости свободно вращаются, в то время как просвечивающий электронный микроскоп снимает тысячи изображений наночастиц. Затем изображения анализируются авторским программным обеспечением для определения местоположения каждого атома в каждой наночастице. Изображение предоставлено Институтом фундаментальных наук.

Расположение атомов в материале определяет, катализирует ли оно химические реакции или ингибирует какой-либо молекулярный отклик. Основная цель нанотехнологий сфокусирована на потенциале проектирования и разработки материалов атом за атомом, что позволяет исследователям манипулировать их свойствами в любом заданном сценарии.

Но методы атомной визуализации не были адекватными для определения точного трехмерного расположения атомов материалов в жидком растворе, что позволило бы исследователям понять поведение материалов в повседневной жизни, например, в крови плазма или вода.

Ученые из Центра исследований наночастиц Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) в сотрудничестве с Институтом фундаментальных наук сообщили о новой аналитической методике с возможностью разрешения трехмерной структуры отдельных наночастиц с разрешением на атомном уровне. Д-р Ханс Элмлунд из Института биомедицинских исследований Университета Монаш в Австралии и д-р Питер Эрсиус из Молекулярного литейного цеха лаборатории Беркли в США.

Можно получить трехмерные атомные позиции отдельных наночастиц с точностью 0,02 нм, что в шесть раз меньше, чем у водорода – самого маленького атома. Иными словами, этот метод высокого разрешения включает обнаружение отдельных атомов и их расположение в наночастице.

Ученые назвали свою разработку 3D SINGLE (идентификация структуры наночастиц методом графеновой жидкостной электронной микроскопии) и использовали математические алгоритмы для извлечения трехмерных структур из набора данных двумерной визуализации, полученных одним из самых мощных микроскопов на Земле. , Первоначально нанокристаллический раствор распределен между двумя графеновыми листами, толщина которых составляет всего один атом.

Если бы аквариум был сделан из толстого материала, было бы трудно увидеть сквозь него. Поскольку графен является самым тонким и прочным материалом в мире, мы создали графеновые карманы, которые позволяют электронному лучу микроскопа проходить сквозь материал, одновременно герметизируя жидкий образец .

ПАРК Юнгвон, доцент, Школа химической и биологической инженерии, Сеульский национальный университет

ПАРК является одним из соответствующих авторов исследования. Команда получила фильмы каждой наночастицы, которая свободно вращалась в жидкости со скоростью 400 изображений в секунду, используя просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (TEM). Затем они применили свою технику реконструкции, чтобы объединить 2D-изображения в 3D-карту, иллюстрирующую расположение атомов.

Найдя точное положение каждого атома, исследователи могут наблюдать, как развивалась наночастица и ее взаимодействие в химических реакциях.

Исследователи охарактеризовали атомные структуры восьми наночастиц платины – платина является самым ценным из всех ценных металлов, используемых в нескольких областях, таких как каталитические материалы для хранения энергии при переработке нефти и топливных элементах. Хотя все частицы были получены в одной партии, они показали значительные различия в их атомной структуре, которые влияют на их производительность.

Теперь можно экспериментально определить точные трехмерные структуры наноматериалов, которые были только теоретически предположены. Разработанная нами методология внесет вклад в области, в которых используются наноматериалы, такие как топливные элементы, водородные транспортные средства и нефтехимический синтез .

Д-р К.И.М. Бён Хё, первый автор исследования

В частности, этот метод может количественно определить деформацию на поверхности атомов и смещение атомов отдельных наночастиц. Анализ деформации с использованием трехмерной реконструкции позволяет определить активные центры нанокатализаторов на атомном уровне, что позволит на основе структурного дизайна оптимизировать каталитические активности. Техника также может помочь повысить эффективность наноматериалов.

По словам директора HYEON Taeghwan из Центра исследований наночастиц IBS: « Мы разработали инновационную методологию для определения структур, которые определяют физические и химические свойства наночастиц на атомном уровне в их естественной среде

Методология предоставит важные ключи в синтезе наноматериалов. Алгоритм, который мы ввели, связан с разработкой новых лекарств посредством анализа структуры белков и анализа больших данных, поэтому мы ожидаем дальнейшего применения в новых исследованиях конвергенции .

HYEON Taeghwan, директор, Центр исследований наночастиц IBS

Это исследование совместно финансируется Институтом фундаментальных наук (IBS), Научно-техническим фондом Samsung (SSTF) и Молекулярным литейным заводом (Отделение науки Министерства энергетики США (DOE)).

Трехмерные реконструкции отдельных наночастиц. Трехмерные карты плотности, карты положения атомов и карты деформаций восьми реконструированных нанокристаллов показывают критические различия между отдельными частицами. Изображение предоставлено Институтом фундаментальных наук.

Источник: https://www.ibs.re.kr/eng.do

 

Source link