Ученые из Японии теперь подсчитали количество дополнительных - или отсутствующих - зарядов с точностью всего до одного электрона в отдельных наночастицах платины, диаметр которых составляет всего одну десятую диаметра обычных вирусов.

Этот новый процесс для точного изучения различий в суммарном заряде металлических наночастиц поможет в дальнейшем понимании и разработке катализаторов для расщепления парниковых и других вредных газов на топливо и безвредные газы или для эффективного производства аммиака, необходимого для удобрений, используемых в сельском хозяйстве.

Исследовательская группа, возглавляемая Университетом Кюсю и Hitachi Ltd., достигла этого подвига экстремального подсчета благодаря усовершенствованиям аппаратного и программного обеспечения, которые в десять раз повысили чувствительность метода, называемого электронной голографией.

В то время как просвечивающая электронная микроскопия использует пучок электронов для наблюдения материалов вплоть до атомного уровня, электронная голография использует волнообразные свойства электронов для исследования электрических и магнитных полей.

Взаимодействие электрона с полями вызывает фазовый сдвиг в его волне, который можно идентифицировать, сравнив его с эталонной волной незатронутого электрона.

В новой работе исследователи сосредоточили свои микроскопы на отдельных наночастицах платины на поверхности оксида титана, комбинации материалов, которые, как уже известно, действуют как катализатор и ускоряют химические реакции.

В среднем наночастицы платины имели диаметр всего 10 нм - настолько маленький, что потребовалось бы почти 100 000, чтобы охватить один миллиметр.

"Хотя каждая частица содержит несколько десятков тысяч атомов платины, добавление или удаление всего одного или двух отрицательно заряженных электронов вызывает значительные изменения в поведении материалов в качестве катализаторов", - говорит Ретаро Асо, доцент инженерного факультета Университета Кюсю и первый автор статьи в дневник Наука отчет о проделанной работе.

Измеряя поля непосредственно вокруг наночастицы платины, которые варьируются в зависимости от дисбаланса положительных и отрицательных зарядов в частице, в среде, свободной от воздуха, исследователи смогли определить количество дополнительных или недостающих электронов, которые создают поля.

"Среди миллионов положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, уравновешивающих друг друга в наночастице, мы могли бы успешно определить, отличается ли количество протонов и электронов всего на один", - объясняет Асо.

Хотя поля слишком слабы для наблюдения предыдущими методами, исследователи улучшили чувствительность, используя современный голографический микроскоп с атомным разрешением 1,2 мВ, разработанный и эксплуатируемый компанией Hitachi, который уменьшает механические и электрические шумы, а затем обрабатывает данные для дальнейшего выделения сигнала из шума.

Разработанный Йошихиро Мидохом из Университета Осаки, одним из соавторов статьи, метод обработки сигналов использовал так называемую вейвлет-скрытую марковскую модель (WHMM) для уменьшения шума без удаления чрезвычайно слабых сигналов, представляющих интерес.

В дополнение к определению зарядового состояния отдельных наночастиц, исследователи смогли связать различия в количестве электронов, которое варьировалось от одного до шести, с различиями в кристаллической структуре наночастиц.

В то время как ранее сообщалось о количестве электронов на единицу площади путем усреднения по измерению большой площади многих частиц, это первый случай, когда ученые смогли измерить разницу в количестве одного электрона в одной частице.

"Объединяя прорывы в аппаратном обеспечении микроскопии и обработке сигналов, мы можем изучать явления на все более мелких уровнях", - комментирует Ясуказу Мураками, профессор инженерного факультета Университета Кюсю и руководитель команды Kyushu U.

"В этой первой демонстрации мы измерили заряд одной наночастицы в вакууме. В будущем мы надеемся преодолеть проблемы, которые в настоящее время мешают нам проводить те же измерения в присутствии газа, чтобы получать информацию в условиях, более приближенных к реальным применениям ".