La superficie delle particelle piastriformi è tutt'altro che liscia, secondo un nuovo studio di microscopia elettronica a trasmissione condotto dal Pacific Northwest National Laboratory e dalla FEI Company.
(Phys.org)—Né liscio né disordinato, le nanoparticelle di gamma-allumina sono ondulate con minuscoli pori all'interno, secondo gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory. Utilizzando un potente microscopio elettronico a trasmissione, il team ha ottenuto immagini ad altissima risoluzione e dati chimici sulla superficie della particella. Hanno scoperto che le particelle erano ricoperte da creste formate da una superficie più aperta, ma simmetrico, disposizione degli atomi. La disposizione aperta sulle superfici, indicato come (110), copre il 70% della nanoparticella.
Comprendendo la struttura e la funzione di minuscole particelle di gamma-allumina, gli scienziati stanno adottando misure cruciali per ottimizzare e realizzare nuove proprietà utili per questi materiali. "Se possiamo conoscere le superfici, quindi possiamo personalizzarli e renderli più efficienti nelle applicazioni catalitiche, " ha detto il dottor Libor Kovarik, che ha condotto lo studio di imaging nell'ambito della Chemical Imaging Initiative del PNNL.
Perché è importante:la riduzione del fabbisogno energetico delle raffinerie o delle emissioni di auto e camion richiede catalizzatori efficienti su materiali di supporto durevoli. Il materiale di supporto deve resistere a forti variazioni di temperatura e pressione. La gamma-allumina è stata ampiamente studiata, ma la sua disposizione atomica non è stata stabilita a causa della sfida di ottenere una visione dettagliata di questo materiale complesso. Descrivere accuratamente la struttura atomica è fondamentale per comprendere e sfruttare le migliori proprietà della gamma-allumina.
"La ricerca catalitica richiede questo tipo di ricerca di imaging chimico all'avanguardia, " ha detto il dottor Charles Peden, uno scienziato di catalisi eterogeneo che ha lavorato allo studio, e direttore associato dell'Istituto per la catalisi integrata del PNNL. "Le straordinarie nuove immagini del Dr. Kovarik da questo potente microscopio hanno prodotto nuove informazioni senza precedenti su un materiale catalizzatore di enorme utilità pratica".
Il team ha iniziato con un nuovo metodo di sintesi dei materiali, e un nuovo microscopio per ottenere le immagini e interpretare i dati chimici associati. Con l'approccio di sintesi, il team ha prodotto particelle a forma di rombo di gamma-allumina, Al 2 oh 3 , che erano da 30 a 50 nanometri di diametro e da 10 a 20 nanometri di spessore. Il team ha tempestato la superficie delle particelle di allumina con particelle di platino catalitico di dimensioni nanometriche.
Hanno posizionato queste particelle di catalizzatore su una griglia e all'interno di una cella specializzata. La cellula è stata poi inserita in un microscopio che utilizza un fascio di elettroni, piuttosto che luce, per ottenere immagini. Questo strumento è un microscopio elettronico a trasmissione con correzione dell'aberrazione sferica con un rilevatore di campo oscuro anulare ad alto angolo. Il team ha utilizzato il microscopio, o TEM, in due diverse modalità, contrasto di fase e scansione. In questo modo, hanno ottenuto immagini tridimensionali dettagliate che potevano essere aperte con un software specializzato ottenendo viste completamente nuove.
"La microscopia elettronica a trasmissione è l'unica tecnica in grado di fornire una visualizzazione diretta di questo materiale complesso. Mentre la spettroscopia fornisce una grande quantità di informazioni sull'ambiente di legame chimico degli atomi su queste superfici, solo TEM può darci una visione diretta e rivelare le pregiate caratteristiche strutturali delle superfici materiche, ", ha detto Kovarik.
Il team ha scoperto che la superficie delle particelle era corrugata a livello atomico. La superficie è significativamente alterata durante la sintesi, con il 70% della superficie relativamente piana, indicato come (110), trasformandosi in una disposizione più aperta di brevi sporgenze di forma triangolare con (111) sfaccettature.
Affettare le immagini TEM aperte, il team ha scoperto i pori all'interno delle particelle simili a piastre. I pori oblunghi, circa da 2 a 4 nanometri di larghezza, erano sparsi in tutto il materiale. Sorprendentemente, le superfici all'interno dei pori non hanno la stessa struttura di quelle sulle superfici esterne delle particelle.
"Una volta che puoi vedere e comprendere un sistema complesso, è possibile generare una base temporale per il controllo di quel sistema, " ha detto il dottor Luigi Terminello, che guida la Chemical Imaging Initiative al PNNL.
Vedere la superficie ondulata e i pori oblunghi all'interno delle particelle di allumina fornisce ai ricercatori indizi per adattare la gamma-allumina e altri tipi di particelle di supporto del catalizzatore. Questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio per chiarire la struttura elettronica e atomica dei catalizzatori e dei materiali per l'accumulo di energia.
