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观察纳米粒子 研究人员在单个纳米粒子中制作光化学电影

当Michal Vadai的实验第一次工作时,她跳出座位。Vadai是斯坦福大学的博士后研究员,他花了几个月的时间设计和排除了一种新工具的问题,该工具可以极大地扩展斯坦福纳米共享设施的先进显微镜的能力。尽管显微镜界人士持怀疑态度,但她和她的研究人员正试图在光学显微镜和透射电子显微镜之间进行联合,如果成功的话,将揭示出一个经历光激活反应的单个粒子。

“我无法强调让它第一次运作是多么令人兴奋。这是一个巨大的技术挑战,”Vadai说,他是材料科学与工程副教授Jennifer Dionne的实验室。“我们第一次开始实验结果时,我们大声喊叫。非常非常令人兴奋的是,我们可以通过光线看到和控制纳米粒子的发生情况。”这项研究于11月7日在Nature Communications上发表,专注于光催化反应,其中来自可见光的能量引发钯纳米立方体中的化学反应。这些立方体中的每一个每侧约30纳米 - 大致相当于感冒病毒的大小。科学家们对基于大量纳米粒子的光催化作用了解很多,但新技术允许研究人员研究单个纳米粒子中发生的情况。除光催化外,这项技术有朝一日可用于研究光和物质的几乎任何相互作用,分辨率约为2纳米,甚至是活细胞中的那些。

小心翼翼的纳米立方体

透射电子显微镜通过将电子束缚通过薄片材料来形成图像。这个过程揭示了复杂细节的结构,但它不允许科学家观察在不同光照条件下变化的材料,如眼睛中的光受体,太阳能电池中使用的材料,或者在这种情况下,用于催化的钯纳米立方体。新设置将电子显微镜的分辨率与光学显微镜的颜色融合在一起。“本文最大的成就之一就是技术本身,”Dionne说。“我们将各种'颜色'的光带到电子显微镜上。我们的测量是直接的 - 当它在纳米粒子内展开时,可以明显地看到光化学反应。”

这项新技术涉及一个定制设计的样品架,样品装在样品架上。周围是镜子,用于聚焦来自两根光纤的光,电子束具有间隙。整个设计必须适合非常有限的空间:显微镜中有5 mm的间隙。为了测试设置,研究人员用氢气泵送样品室。通过电子显微镜观察,他们可以确认钯纳米立方体在充满氢气时改变了相位。该实验的结构使得纳米立方体将保留在这个充满氢气的相中,直到研究人员打开光线。一旦被照亮,他们就会看到一股水般的波浪优雅地流过粒子 - 氢离开了钯。这是一种基于光的反应,可以通过电子显微镜看到,并且是一种值得追求的快乐成功。

个体差异

纳米粒子经常被大量生产和研究,这意味着我们知道它们的大小,形状或位置各不相同 - 但我们对这些变化如何影响性能知之甚少。如果你真的想深入了解正在发生的事情的基本物理,你需要看看单个粒子因为我们知道个体差异很重要,”Vadai说。“这就像一个谜,你必须好好看看能够解决这个问题的一条线索。”最初的实验主要是为了证明该技术可行,但仍然揭示了纳米立方体的新内容。首先,反应在光线下比在黑暗中快10倍。研究人员还可以看到反应的每个步骤 - 离开纳米立方体的氢,纳米立方体重排的晶格结构 - 如何受到不同波长的光的影响。事实证明,最接近光吸收区域的纳米立方体的角落 - 在这种情况下是附近的金盘 - 是最具反应性的。了解发生的方式和原因可能会导致基于催化剂几何形状的产品选择性反应。

随着这一概念验证的成功,实验室将继续进行下一步。例如,研究人员的目标是增加光谱学能力,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反应。“如果你在谈论单个粒子,你通常必须争取看到这些微弱的信号,”Vadai说。“展望未来,这将是一套完整的工具,您可以用它来实时研究纳米级光与物质的相互作用,在非常高的分辨率下,在单粒子水平上。”该论文的共同作者是Daniel K. Angell,Fariah Hayee和斯坦福大学的Katherine Sytwu。Dionne还是斯坦福Bio-X的成员,斯坦福Bio-X是Precourt能源研究所的附属机构,也是斯坦福大学吴仔神经科学研究所的成员。该研究由SLAC国家加速器实验室的Chi-Chang Kao资助,斯坦福大学TomKat可持续能源中心,Gabilan Stanford研究员奖学金和国家科学基金会的博士后奖学金。

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