Per la prima volta gli scienziati sono riusciti a determinare l'esatta disposizione spaziale di ogni singolo atomo in una nanoparticella. Le sfere gialle sono gli atomi rappresentati graficamente che formano la nanoparticella d'argento, che ha un diametro di circa due nanometri.
Per la prima volta, scienziati dell'Empa e del Politecnico federale di Zurigo hanno, in collaborazione con un team olandese, riuscito a misurare la struttura atomica delle singole nanoparticelle. La tecnica, recentemente pubblicato in Natura , potrebbe aiutare a comprendere meglio le proprietà delle nanoparticelle in futuro.
In termini chimici, le nanoparticelle hanno proprietà diverse dai loro «fratelli e sorelle maggiori»:hanno una grande superficie in relazione alla loro minuscola massa e allo stesso tempo un piccolo numero di atomi. Questo può produrre effetti quantistici che portano a proprietà materiali alterate. Le ceramiche realizzate con nanomateriali possono improvvisamente piegarsi, ad esempio, oppure una pepita d'oro è color oro mentre una sua nanoscheggia è rossastra.
Le proprietà chimiche e fisiche delle nanoparticelle sono determinate dalla loro esatta morfologia tridimensionale, struttura atomica e soprattutto la loro composizione superficiale. In uno studio avviato dalla scienziata dell'ETH di Zurigo Marta Rossell e dal ricercatore dell'Empa Rolf Erni, la struttura 3D delle singole nanoparticelle è stata ora determinata con successo a livello atomico. La nuova tecnica potrebbe aiutare a migliorare la nostra comprensione delle caratteristiche delle nanoparticelle, compresa la loro reattività e tossicità.
Per il loro studio al microscopio elettronico, che è stato pubblicato di recente sulla rivista Natura , Rossell ed Erni hanno preparato nanoparticelle d'argento in una matrice di alluminio. La matrice rende più facile inclinare le nanoparticelle sotto il fascio di elettroni in diversi orientamenti cristallografici proteggendo le particelle dai danni provocati dal fascio di elettroni. Il prerequisito di base per lo studio era uno speciale microscopio elettronico che raggiunge una risoluzione massima inferiore a 50 picometri. A titolo di confronto:il diametro di un atomo misura circa un Ångström, cioè 100 picometri.
Per proteggere ulteriormente il campione, il microscopio elettronico è stato allestito in modo tale da produrre anche immagini a risoluzione atomica con una tensione di accelerazione inferiore, vale a dire 80 kilovolt. Normalmente, questo tipo di microscopio – di cui ce ne sono solo pochi al mondo – funziona a 200 – 300 kilovolt. I due scienziati hanno utilizzato un microscopio presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California per i loro esperimenti. I dati sperimentali sono stati integrati con ulteriori misurazioni al microscopio elettronico effettuate presso l'Empa.
Sulla base di queste immagini microscopiche, Sandra Van Aert dell'Università di Anversa ha creato modelli che hanno reso più nitide le immagini e ne hanno permesso la quantificazione:le immagini raffinate hanno permesso di contare i singoli atomi d'argento lungo diverse direzioni cristallografiche.
Per la ricostruzione tridimensionale della disposizione atomica nella nanoparticella, Rossell ed Erni alla fine si sono avvalsi dell'aiuto dello specialista di tomografia Joost Batenburg di Amsterdam, che ha utilizzato i dati per ricostruire tomograficamente la struttura atomica della nanoparticella sulla base di uno speciale algoritmo matematico. Solo due immagini sono state sufficienti per ricostruire la nanoparticella, che consiste di 784 atomi. "Fino ad ora, solo i contorni approssimativi delle nanoparticelle potrebbero essere illustrati utilizzando molte immagini da diverse prospettive, " dice Marta Rossell. Strutture atomiche, d'altra parte, potrebbe essere simulato solo al computer senza una base sperimentale.
"Applicazioni per il metodo, come la caratterizzazione di nanoparticelle drogate, ora sono sulle carte, " dice Rolf Erni. Ad esempio, il metodo potrebbe un giorno essere utilizzato per determinare quali configurazioni di atomi diventano attive sulla superficie delle nanoparticelle se hanno un effetto tossico o catalitico. Rossell sottolinea che in linea di principio lo studio può essere applicato a qualsiasi tipo di nanoparticella. Il presupposto, però, sono dati sperimentali come quelli ottenuti nello studio.
