Molti recenti grandi progressi tecnologici nel campo dell'informatica, comunicazioni, l'energia e la biologia si sono basate su materiali molto piccoli, nanoparticelle, con dimensioni inferiori a 1/1, 000esimo lo spessore di un foglio di carta. Però, può essere difficile determinare i migliori nanomateriali per queste applicazioni perché l'osservazione delle nanoparticelle in azione richiede un'elevata risoluzione spaziale in ambienti "disordinati, "ambienti dinamici.

In un recente passo in questa direzione, un team di ingegneri di Stanford ha ottenuto una prima occhiata all'interno delle nanoparticelle a cambiamento di fase, chiarire come la loro forma e cristallinità - la disposizione degli atomi all'interno del cristallo - possono avere effetti drammatici sulle loro prestazioni.

Il lavoro, che è descritto in Materiali della natura , ha applicazioni immediate nella progettazione di materiali per l'accumulo di energia, ma potrebbe eventualmente trovare la sua strada nell'archiviazione dei dati, interruttori elettronici e qualsiasi dispositivo in cui la trasformazione di fase di un materiale ne regola le prestazioni.

Ad esempio, in una batteria agli ioni di litio, la capacità della batteria di immagazzinare e rilasciare energia ripetutamente si basa sulla capacità dell'elettrodo di sostenere grandi deformazioni durante diversi cicli di carica e scarica senza degradarsi. Recentemente, gli scienziati hanno migliorato l'efficienza di questo processo nanodimensionando gli elettrodi. Le nanoparticelle consentono una ricarica più rapida, maggiore accumulo di energia e una maggiore durata, ma non si sa quale forma di nanoparticella, dimensioni e cristallinità producono le migliori prestazioni. Affrontare questa domanda è servito come ispirazione per il presente studio, "Ricostruzione delle trasformazioni di fase indotte dal soluto all'interno dei singoli nanocristalli".

In genere, è difficile determinare se il comportamento di un insieme di nanoparticelle è il risultato di ogni singolo componente che si comporta in modo simile o se è l'output medio di alte e basse prestazioni. Jennifer Dionne, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, e il suo gruppo hanno studiato il comportamento delle singole particelle per stabilire un legame più forte tra struttura e funzione che possa indirizzare la progettazione di materiali di accumulo di energia di prossima generazione.

In questo esperimento, Il gruppo di Dionne ha esaminato come la variazione delle forme e della cristallinità delle nanoparticelle di palladio influisca sulla loro capacità di assorbire e rilasciare atomi di idrogeno, un analogo di una batteria agli ioni di litio che si scarica e si carica. Hanno preparato cubico, nanoparticelle piramidali e icosaedriche e sviluppato nuove tecniche di imaging per guardare all'interno delle nanoparticelle a varie pressioni di idrogeno, determinare dove si trovava l'idrogeno.

La tecnica si basava su un microscopio elettronico a trasmissione ambientale, consentendo agli ingegneri di discernere esattamente come l'idrogeno è stato distribuito all'interno delle nanoparticelle e di farlo con una risoluzione incredibilmente alta, inferiore a 2 nanometri.

"Questo strumento è unico nel suo genere e ci permette di studiare i materiali nel loro ambiente di lavoro, " disse Tarun Narayan, co-autore principale dello studio e un neolaureato PhD dal gruppo di Dionne.

Il microscopio consente l'analisi delle particelle utilizzando diverse tecniche, come l'imaging diretto, diffrazione e spettroscopia.

"Ogni tecnica offre informazioni diverse che possono essere combinate per ottenere una visione completa, comprensione multidimensionale del sistema, " disse Andrea Baldi, un coautore post-dottorato e ora membro di facoltà presso l'Istituto olandese per la ricerca fondamentale sull'energia (DIFFER) nei Paesi Bassi.

I ricercatori hanno scoperto che la struttura delle nanoparticelle influenza in modo significativo le prestazioni. Le strutture icosaedriche, ad esempio, mostrano una ridotta capacità di accumulo di energia e un assorbimento di idrogeno più graduale rispetto ai cubi e alle piramidi monocristallini. Le mappe ad alta risoluzione delle particelle dimostrano che l'idrogeno è escluso dal centro della particella, abbassando così la capacità complessiva di incorporare idrogeno. La caratterizzazione strutturale mostra che l'assorbimento graduale di idrogeno avviene perché diverse regioni della particella assorbono idrogeno a pressioni diverse, a differenza di quanto si osserva nei singoli cristalli.

"Non avremmo potuto immaginare di fare osservazioni in situ come questa a livello atomico anche pochi anni fa, e quindi ciò che il team ha dimostrato e ottenuto è notevole nel campo dell'imaging dei materiali, " ha detto il co-autore Robert Sinclair, professore di scienze e ingegneria dei materiali.

Ai Leen Koh, uno scienziato dello staff della Nano Shared Facilities di Stanford che è stato anche autore del lavoro, ha affermato che "questi risultati mostrano come la microscopia elettronica ambientale in situ può essere utilizzata per guardare all'interno di singole nanoparticelle esposte al gas idrogeno in tempo reale".

"Con questa capacità di scrutare all'interno delle nanoparticelle durante il loro funzionamento, possiamo aiutare a progettare materiali campione per dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione, " disse Dionne, che è anche membro di Stanford Bio-X e dello Stanford Neurosciences Institute, e un affiliato dello Stanford Precourt Institute for Energy.