In un laboratorio a 18 piedi sotto l'Engineering Quad della Stanford University, i ricercatori del laboratorio Dionne si sono accampati con uno dei microscopi più avanzati al mondo per catturare una reazione inimmaginabilmente piccola.

I membri del laboratorio hanno condotto esperimenti ardui - a volte richiedendo 30 ore di lavoro continuo - per catturare in tempo reale, visualizzazioni dinamiche di atomi che un giorno potrebbero aiutare le batterie dei nostri telefoni a durare più a lungo e i nostri veicoli elettrici ad andare più lontano con una singola carica.

Faticando sottoterra nei laboratori sotterranei, hanno registrato atomi che entrano ed escono da nanoparticelle di dimensioni inferiori a 100 nanometri, con una risoluzione che si avvicina a 1 nanometro.

"La capacità di visualizzare direttamente le reazioni in tempo reale con una risoluzione così elevata ci consentirà di esplorare molte domande senza risposta nelle scienze chimiche e fisiche, "ha detto Jen Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e autore senior del documento che descrive in dettaglio questo lavoro, pubblicato il 16 gennaio in Comunicazioni sulla natura . "Anche se gli esperimenti non sono facili, non sarebbero possibili senza i notevoli progressi della microscopia elettronica dell'ultimo decennio".

I loro esperimenti si sono concentrati sull'idrogeno che si sposta nel palladio, una classe di reazioni note come transizione di fase guidata dall'intercalazione. Questa reazione è fisicamente analoga al modo in cui gli ioni scorrono attraverso una batteria o una cella a combustibile durante la carica e la scarica. L'osservazione di questo processo in tempo reale fornisce informazioni sul motivo per cui le nanoparticelle producono elettrodi migliori rispetto ai materiali sfusi e si adatta al più ampio interesse di Dionne per i dispositivi di accumulo di energia che possono caricare più velocemente, trattenere più energia e scongiurare il fallimento permanente.

Complessità tecnica e fantasmi

Per questi esperimenti, il laboratorio Dionne ha creato nanocubi di palladio, una forma di nanoparticella, che variava in dimensioni da circa 15 a 80 nanometri, e poi li ha posti in un ambiente di gas idrogeno all'interno di un microscopio elettronico. I ricercatori sapevano che l'idrogeno avrebbe cambiato sia le dimensioni del reticolo che le proprietà elettroniche della nanoparticella. Pensavano che, con l'obiettivo del microscopio appropriato e la configurazione dell'apertura, tecniche chiamate microscopia elettronica a trasmissione a scansione e spettroscopia di perdita di energia elettronica potrebbero mostrare l'assorbimento di idrogeno in tempo reale.

Dopo mesi di tentativi ed errori, i risultati sono stati estremamente dettagliati, sono stati introdotti video in tempo reale dei cambiamenti nella particella come idrogeno. L'intero processo è stato così complicato e nuovo che la prima volta che ha funzionato, il laboratorio non aveva nemmeno il software video in esecuzione, portandoli a catturare il loro primo successo cinematografico su uno smartphone.

A seguito di questi video, hanno esaminato i nanocubi durante le fasi intermedie di idrogenazione utilizzando una seconda tecnica al microscopio, chiamato imaging in campo oscuro, che si basa su elettroni dispersi. Per mettere in pausa il processo di idrogenazione, i ricercatori hanno immerso i nanocubi in un bagno di ghiaccio di azoto liquido a reazione intermedia, abbassando la loro temperatura a 100 gradi Kelvin (-280 F). Queste immagini in campo oscuro sono servite come modo per verificare che l'applicazione del fascio di elettroni non avesse influenzato le osservazioni precedenti e ha permesso ai ricercatori di vedere cambiamenti strutturali dettagliati durante la reazione.

"Con l'esperimento medio che dura circa 24 ore a questa bassa temperatura, abbiamo affrontato molti problemi con gli strumenti e abbiamo chiamato Ai Leen Koh [coautore e ricercatore presso le Nano Shared Facilities di Stanford] nelle ore più strane della notte, " ha ricordato Fariah Hayee, co-autore principale dello studio e studente laureato nel laboratorio Dionne. "Abbiamo persino riscontrato un problema del 'fantasma del joystick, ' dove il joystick sembrava muovere il campione in modo incontrollabile per un po' di tempo."

Mentre la maggior parte dei microscopi elettronici opera con il campione tenuto nel vuoto, il microscopio utilizzato per questa ricerca ha la capacità avanzata di consentire ai ricercatori di introdurre liquidi o gas nel loro campione.

"Traiamo un enorme vantaggio dall'avere accesso a una delle migliori strutture di microscopi al mondo, " disse Tarun Narayan, co-autore principale di questo studio e neolaureato presso il laboratorio Dionne. "Senza questi strumenti specifici, non saremmo in grado di introdurre gas idrogeno o raffreddare i nostri campioni abbastanza per vedere questi processi avvenire".

Eliminare le imperfezioni

Oltre ad essere una prova di concetto ampiamente applicabile per questa suite di tecniche di visualizzazione, osservare il movimento degli atomi fornisce una maggiore convalida per le grandi speranze che molti scienziati hanno per le tecnologie di stoccaggio dell'energia delle nanoparticelle.

I ricercatori hanno visto gli atomi muoversi attraverso gli angoli del nanocubo e hanno osservato la formazione di varie imperfezioni all'interno della particella mentre l'idrogeno si muoveva al suo interno. Questo suona come un argomento contro la promessa delle nanoparticelle, ma è perché non è l'intera storia.

"La nanoparticella ha la capacità di auto-guarirsi, " disse Dionne. "Quando introduci per la prima volta l'idrogeno, la particella si deforma e perde la sua perfetta cristallinità. Ma una volta che la particella ha assorbito più idrogeno possibile, si trasforma di nuovo in un cristallo perfetto."

I ricercatori descrivono questo come imperfezioni "spinte fuori" dalla nanoparticella. Questa capacità del nanocubo di autoguarirsi lo rende più durevole, una proprietà chiave necessaria per i materiali di accumulo di energia che possono sostenere molti cicli di carica e scarica.

Guardando al futuro

Con l'aumento dell'efficienza della produzione di energia rinnovabile, la necessità di uno stoccaggio di energia di qualità superiore è più pressante che mai. È probabile che il futuro dello storage si baserà su nuove sostanze chimiche e sui risultati di questa ricerca, comprese le tecniche di microscopia che i ricercatori hanno perfezionato lungo il percorso, si applicherà a quasi tutte le soluzioni in tali categorie.

Per la sua parte, il laboratorio Dionne ha molte direzioni in cui può andare da qui. Il team ha potuto esaminare una varietà di composizioni di materiali, o confrontare come le dimensioni e le forme delle nanoparticelle influenzano il loro modo di funzionare, e, presto, approfitta dei nuovi aggiornamenti al loro microscopio per studiare le reazioni guidate dalla luce. Attualmente, Hayee è passato alla sperimentazione con nanobarre, che hanno una superficie maggiore per il passaggio degli ioni, promettendo cinetiche potenzialmente ancora più veloci.