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斯坦福研究者用单一纳米粒子制作光化学电影

当Michal Vadai的实验第一次奏效时,她从座位上跳了出来。

Vadai是斯坦福大学的博士后研究员,他花了几个月的时间来设计和故障排除新工具,该工具可以大大扩展斯坦福纳米共享设施中高级显微镜的能力。尽管显微镜学界对此持严重怀疑,她和她的同事们正在尝试在光学显微镜和透射电子显微镜之间建立一种联合,如果成功的话,将揭示出单个粒子正在经历光活化反应。

这个视频由Dionne实验室用透射电子显微镜拍摄,显示出钯纳米立方体在被照亮后改变相——失去氢。圆形物体是一个金盘,它把光聚焦在纳米立方体上。(图像信用:Michal Vadai)

“我不能强调让它第一次工作是多么令人兴奋。这是一个巨大的技术挑战。“我们第一次得到实验结果的时候,我们大声喊叫。这是非常,非常令人兴奋的,我们可以看到和控制正在发生的这种纳米粒子的光。

这项研究发表在11月7日的《自然通讯》杂志上,着重于光催化反应,其中来自可见光的能量在钯的纳米立方体中引发化学反应。这些立方体中的每一个在每一侧大约30纳米,大约是感冒病毒的大小。

科学家们对基于大群纳米颗粒的光催化技术了解很多,但是这项新技术允许研究人员研究单个纳米颗粒中发生了什么。除了光催化,这项技术将来可以用来研究光与物质的几乎任何相互作用,其分辨率约为2纳米,甚至那些发生在活细胞中的光与物质的相互作用。

小心摇动的纳米立方体

透射电子显微镜通过在薄片材料上发射电子来形成图像。这个过程揭示了复杂的细节结构,但它不允许科学家观察材料在不同光条件下的变化情况,如眼睛中的光受体、用于太阳能电池的材料,或如本例中用于催化的钯纳米立方体。新的设置使电子显微镜的分辨率与光学显微镜的颜色相融合。

“这篇论文最大的成就之一是技术本身,”迪翁说。我们给电子显微镜带来各种颜色的光。我们的测量是直接的-当纳米颗粒在纳米颗粒中展开时,人们可以明显地看到光化学反应。

新技术涉及一个定制设计的样品保持器,样品载于其中。周围是反射镜,聚焦两个光纤的光,电子束有一个缝隙。整个设计必须适应一个非常有限的空间:一个5毫米的差距在显微镜下。

为了测试这种设置,研究人员用氢泵送样品室。通过电子显微镜观察,可以确认钯纳米立方体在充氢时相变。实验的结构是这样的,纳米立方体将保持在这个充满氢气的阶段,直到研究人员打开灯。一旦被照亮,他们就会看到一个水一样的波优雅地流过粒子——氢离开钯。这是一种基于电子显微镜的光反应,是一种值得高兴的跳跃。

个体差异

纳米颗粒经常被大量生产和研究,这意味着我们知道它们在大小、形状或位置上有所不同——但我们对这些变化如何影响性能知之甚少。

瓦代说:“如果你真的想深入研究603007qtes的基本物理学,你需要研究单个粒子,因为我们知道个体差异很重要。”“ITWPA60607QTES就像一个谜,你必须好好地看一个线索才能解决这个问题。”

最初的实验主要是为了证明这项技术可以工作,但是仍然揭示了一些关于纳米立方体的新东西。一方面,反应发生在光中的速度比黑暗中快10倍。研究人员还可以看到反应的每一步——氢气离开纳米立方体,纳米立方体重排的晶格结构——是如何受到不同波长光的影响。

结果还表明,纳米立方体的最靠近光吸收区域的角落——在这种情况下,是附近的金盘——是最具反应性的。了解发生的原因和原因可能会允许基于催化剂几何形状的产品选择性反应。

随着这一概念证明的成功,实验室进入下一步。例如,研究人员旨在增加光谱能力,这意味着他们可以评估这些反应产生的光,以便更详细地分析化学。

Vadai说:“如果你说的是单个粒子,你通常必须战斗才能看到这些微弱的信号。”展望未来,这将是一套完整的工具,可用于在纳米尺度上实时、高分辨率、单粒子水平上研究光与物质的相互作用。

论文的作者是斯坦福大学的Daniel K. Angell、Fariah Hayee和Katherine Sytwu。Dionne也是Stanford Bio-X的成员,前体能源研究所的一个附属机构,以及斯坦福吴蔡神经科学研究所的成员。

这项研究由SLAC国家加速器实验室资助,该基金来自斯坦福大学托马特可持续能源中心的博士后研究员、Gabalang-Stanford研究生奖学金和国家科学基金会。

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