В лаборатории, расположенной на 18 футов ниже инженерного квартала Стэнфордского университета, исследователи из лаборатории Dionne разбили лагерь с одним из самых передовых микроскопов в мире, чтобы зафиксировать невообразимо малую реакцию.
Сотрудники лаборатории проводили трудные эксперименты, иногда требующие непрерывной 30-часовой работы, для получения динамических визуализаций атомов в реальном времени, которые когда-нибудь помогут нашим телефонным батареям работать дольше, а наши электромобили проедут дальше без подзарядки..
Трудясь под землей в туннельных лабораториях, они зафиксировали движение атомов внутрь и наружу наночастиц размером менее 100 нанометров с разрешением, приближающимся к 1 нанометру.
«Возможность напрямую визуализировать реакции в режиме реального времени с таким высоким разрешением позволит нам исследовать многие оставшиеся без ответа вопросы в химических и физических науках», - сказала Джен Дионн, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде и старший автор статьи с подробным описанием этой работы, опубликованной 16 января в Nature Communications. «Хотя эксперименты непростые, они были бы невозможны без замечательных достижений в области электронной микроскопии за последнее десятилетие».
Их эксперименты были сосредоточены на переходе водорода в палладий, классе реакций, известных как интеркаляционный фазовый переход. Эта реакция физически аналогична тому, как ионы проходят через батарею или топливный элемент во время зарядки и разрядки. Наблюдение за этим процессом в режиме реального времени дает представление о том, почему наночастицы делают электроды лучше, чем объемные материалы, и соответствует более широкому интересу Дионн к устройствам накопления энергии, которые могут заряжаться быстрее, удерживать больше энергии и предотвращать необратимые сбои.
Техническая сложность и призраки
Для этих экспериментов лаборатория Dionne создала нанокубы палладия, форму наночастиц, размером от 15 до 80 нанометров, а затем поместила их в среду газообразного водорода в электронный микроскоп. Исследователи знали, что водород изменит как размеры решетки, так и электронные свойства наночастицы. Они думали, что при соответствующей конфигурации объектива и апертуры микроскопа методы, называемые сканирующей просвечивающей электронной микроскопией и спектроскопией потерь энергии электронов, могут показать поглощение водорода в реальном времени..
После месяцев проб и ошибок результаты были очень подробными, в режиме реального времени видео изменений в частице, когда был введен водород. Весь процесс был настолько сложным и новым, что в первый раз, когда он сработал, в лаборатории даже не было запущено программное обеспечение для работы с видео, что привело к тому, что они смогли запечатлеть свой первый успешный фильм на смартфоне.
После этих видеороликов они исследовали нанокубы на промежуточных стадиях гидрирования, используя второй метод микроскопии, называемый темным полем, который основан на рассеянных электронах. Чтобы приостановить процесс гидрирования, исследователи погрузили нанокубы в ледяную баню с жидким азотом в середине реакции, снизив их температуру до 100 градусов по Кельвину (-280 F). Эти изображения в темном поле послужили способом проверить, что применение электронного луча не повлияло на предыдущие наблюдения, и позволили исследователям увидеть подробные структурные изменения во время реакции.
"Поскольку в среднем эксперимент длился около 24 часов при такой низкой температуре, мы столкнулись со многими проблемами с приборами и позвонили Ай Лин Ко [соавтору и научному сотруднику Стэнфордского института совместного использования нанотехнологий] в самые странные часы ночи, - вспоминает Фария Хейи, ведущий соавтор исследования и аспирант лаборатории Дионн.«Мы даже столкнулись с проблемой «призрака джойстика», когда джойстик какое-то время бесконтрольно перемещал образец».
В то время как большинство электронных микроскопов работают с образцом, находящимся в вакууме, микроскоп, используемый для этого исследования, обладает расширенными возможностями, позволяющими исследователям вводить в образец жидкости или газы.
«Мы получаем огромную выгоду от доступа к одному из лучших микроскопов в мире», - сказал Тарун Нараян, ведущий соавтор этого исследования и недавний выпускник докторской лаборатории Dionne. «Без этих специальных инструментов мы не смогли бы ввести газообразный водород или охладить наши образцы настолько, чтобы увидеть эти процессы».
Выталкивание недостатков
Помимо того, что это широко применимое доказательство концепции для этого набора методов визуализации, наблюдение за движением атомов обеспечивает большее подтверждение больших надежд, которые многие ученые возлагают на технологии хранения энергии наночастиц.
Исследователи видели, как атомы движутся через углы нанокуба, и наблюдали за образованием различных дефектов внутри частицы по мере того, как водород перемещался внутри нее. Это звучит как аргумент против обещаний наночастиц, но это не все.
«Наночастицы обладают способностью к самовосстановлению», - сказала Дионн. «Когда вы впервые вводите водород, частица деформируется и теряет свою идеальную кристалличность. Но как только частица поглотит столько водорода, сколько сможет, она снова превратится обратно в идеальный кристалл».
Исследователи описывают это как несовершенства, «выталкиваемые» из наночастицы. Эта способность нанокуба к самовосстановлению делает его более долговечным, что является ключевым свойством, необходимым для материалов для хранения энергии, которые могут выдерживать множество циклов зарядки и разрядки.
Взгляд в будущее
По мере повышения эффективности производства возобновляемой энергии потребность в более качественном хранении энергии становится более острой, чем когда-либо. Вполне вероятно, что будущее хранения данных будет зависеть от новых химических процессов, и результаты этого исследования, в том числе методы микроскопии, которые исследователи усовершенствовали в процессе работы, будут применимы практически к любому решению в этих категориях.
Со своей стороны, лаборатория Dionne может пойти по многим направлениям. Команда может изучить различные составы материалов или сравнить, как размеры и формы наночастиц влияют на то, как они работают, и вскоре воспользоваться преимуществами новых улучшений своего микроскопа для изучения реакций, управляемых светом. В настоящее время Хэйи перешел к экспериментам с наностержнями, которые имеют большую площадь поверхности для движения ионов, обещая потенциально еще более быструю кинетику.