En gruppe førende forskere inden for elektronmikroskopi og katalyse har de sidste år arbejdet med at bestemme atomernes tre-dimensionelle placering i nanopartikler, som katalyserer kemiske processer. Arbejdet har kombineret eksperimentelle målinger med matematisk modellering.
Det har resulteret i en ny metode, der gør det muligt at identificere og lokalisere de enkelte atomer i en nanopartikel, også selvom de vibrerer og bevæger sig.
Hidtil har man forventet, at atomer i nanopartikler er statiske under afbildning. Men forskernes arbejde med 3D atomart opløste billeder viste, at forventningen ikke holdt stik. I stedet har de afsløret en dynamik af atomerne ved hjælp af en ny analytisk metode.
Til arbejdet har forskerne valgt at anvende velkendte katalytisk nanopartikler, nemlig molybdændisulfid. Da placeringen af atomerne her er velbeskrevet, var det et godt grundlag for fortolkningen af forskergruppens 3D atomart opløste billeder, der er udarbejdet ved brug af det unikke TEAM0.5 elektronmikroskop ved Lawrence Berkeley National Laboratory, som tilbyder verdens højeste opløsning i picometer-skala.
Den nye metode er beskrevet og udgivet i det anerkendte videnskabelige tidsskrift, Nature Communications (www.nature.com/articles/s41467-021-24857-4).
Den matematiske model gør det muligt at identificere de enkelte atomer i nanopartiklen, også selvom de bevæger sig. Det er muligt, fordi modellen både måler intensiteten og bredden af atomerne i billederne.
Hidtil har det været udfordrende at fastlægge, hvilket atom vi iagttager fordi atomernes svingninger har ”udtværet” billederne. Men ved at tage højde for og ’modregne’ svingningerne kan vi mere sikkert identificere eksempelvis hvor der sidder et svovl eller molybdæn atom, siger professor Stig Helveg, DTU Fysik, der er en del af forskergruppen.
Den nye model gør det muligt fremover at korrigere for de svingninger, der opstår, når man studere nanopartikler i et elektronmikroskop, der bestråler dem med høj-energi elektroner. Det bliver dermed muligt i stedet at fokusere på den kemiske information som billederne afslører atom for atom – og som er den forskningen drejer sig om.
Forskerne håber, at den nye banebrydende model fremover vil blive anvendt af andre forskere inden for deres felt. Samtidig vil modellen udgøre et grundlag for arbejdet i Stig Helvegs nye grundforskningscenter på DTU, VISION.
Her bliver fokus at komme skridtet videre og kombinere de atomart opløste billeder med målinger af nanopartiklernes katalytiske egenskaber. En viden, der vil bidrage til udviklingen af nanopartikler til katalytiske processer som en del af omstillingen til bæredygtig energi.
Den internationale forskergruppe bag den nye model er Fu-Rong Chen fra City University Hong Kong, Dirk van Dyck fra Antwerpen University, Christian Kisielowski og Bastian Barton fra Lawrence Berkeley National Laboratory, Lars P. Hansen fra Haldor Topsoe A/S samt Stig Helveg fra DTU.
Kilde: DTU
