Quando l'esperimento di Michal Vadai ha funzionato per la prima volta, è saltata fuori dalla sedia.

Vadai, un borsista post-dottorato alla Stanford University, aveva trascorso mesi a progettare e risolvere i problemi di un nuovo strumento in grado di espandere notevolmente le capacità di un microscopio avanzato presso le strutture condivise di Stanford Nano. Nonostante il forte scetticismo della comunità di microscopia, lei e i suoi colleghi ricercatori stavano tentando un'unione tra microscopia ottica e microscopia elettronica a trasmissione che, in caso di successo, rivelerebbe una singola particella che subisce una reazione attivata dalla luce.

"Non posso sottolineare quanto sia stato emozionante farlo funzionare la prima volta. È stata una grande sfida tecnologica, " disse Vadai, che è nel laboratorio di Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "La prima volta che abbiamo avuto l'inizio di un risultato sperimentale, stavamo gridando ad alta voce. Era molto, molto eccitante che abbiamo potuto vedere e controllare cosa stava succedendo a questa nanoparticella con la luce".

Questa ricerca, pubblicato il 7 novembre in Comunicazioni sulla natura , si concentra su una reazione fotocatalitica in cui l'energia della luce visibile avvia una reazione chimica in nanocubi di palladio. Ciascuno di questi cubi misura circa 30 nanometri su ciascun lato, all'incirca le dimensioni di un virus del raffreddore.

Gli scienziati sanno molto sulla fotocatalisi basata su grandi gruppi di nanoparticelle, ma la nuova tecnica consente ai ricercatori di studiare cosa avviene nelle singole nanoparticelle. Oltre la fotocatalisi, questa tecnica potrebbe un giorno essere utilizzata per studiare quasi ogni interazione di luce e materia con una risoluzione di circa 2 nanometri, anche quelli che si verificano nelle cellule viventi.

Nanocubi cullati con cura

La microscopia elettronica a trasmissione forma un'immagine irradiando elettroni attraverso una sottile fetta di materiale. Questo processo rivela strutture con dettagli intricati ma non consente agli scienziati di osservare i materiali mentre cambiano in diverse condizioni di luce, come recettori di luce negli occhi, materiali utilizzati nelle celle solari o, come in questo caso, nanocubi di palladio per catalisi. La nuova configurazione fonde la risoluzione della microscopia elettronica con il colore della microscopia ottica.

"Uno dei maggiori risultati di questo articolo è la tecnica stessa, " Disse Dionne. "Portiamo luce di vari 'colori' al microscopio elettronico. Le nostre misurazioni sono dirette:si può vedere visibilmente la reazione fotochimica mentre si svolge all'interno della nanoparticella".

La nuova tecnica prevedeva un portacampione progettato su misura su cui veniva caricato il campione. Intorno c'erano specchi per focalizzare la luce da due fibre ottiche con uno spazio per il fascio di elettroni. L'intero progetto doveva adattarsi a uno spazio molto limitato:uno spazio di 5 mm nel microscopio.

Per testare la configurazione, i ricercatori hanno pompato idrogeno nella camera del campione. Guardando al microscopio elettronico, potrebbero confermare che il nanocubo di palladio ha cambiato fase quando si è riempito di idrogeno. L'esperimento è stato strutturato in modo che i nanocubi rimangano in questa fase piena di idrogeno fino all'accensione della luce da parte dei ricercatori. Una volta illuminato, guardarono come un'onda simile all'acqua fluiva con grazia attraverso la particella:l'idrogeno che lasciava il palladio. È stata una reazione basata sulla luce vista da un microscopio elettronico e un successo degno di un salto di gioia.

Differenze individuali

Le nanoparticelle sono spesso prodotte e studiate in gran numero, il che significa che sappiamo che variano di dimensioni, forma o posizione, ma sappiamo poco di come tali variazioni influiscano sulle prestazioni.

"Se vuoi davvero immergerti nella fisica fondamentale di ciò che sta accadendo, devi guardare le singole particelle perché sappiamo che le differenze individuali contano, " ha detto Vadai. "È come un mistero e devi dare una buona occhiata a un indizio per essere in grado di risolverlo."

Gli esperimenti iniziali erano in gran parte progettati per dimostrare che la tecnica poteva funzionare, ma ha ancora rivelato qualcosa di nuovo sui nanocubi. Per uno, la reazione avviene 10 volte più velocemente alla luce che al buio. I ricercatori hanno anche potuto vedere come ogni fase della reazione - l'idrogeno che lascia il nanocubo, la struttura reticolare del riarrangiamento del nanocubo - è influenzata da diverse lunghezze d'onda della luce.

Si scopre anche che l'angolo del nanocubo più vicino alla regione di assorbimento della luce - in questo caso, un disco d'oro vicino – è più reattivo. Comprendere come e perché ciò è accaduto potrebbe potenzialmente consentire reazioni selettive del prodotto basate sulla geometria del catalizzatore.

Con il successo di questo proof of concept, il laboratorio è alle fasi successive. Per esempio, i ricercatori mirano ad aggiungere capacità di spettroscopia, il che significa che potrebbero valutare la luce generata da queste reazioni al fine di analizzare la chimica in modo più dettagliato.

"Se stai parlando di una singola particella, di solito devi lottare per vedere questi segnali deboli, "Vadai ha detto. "Guardando avanti, questa sarà una suite completa di strumenti che puoi utilizzare per studiare l'interazione tra luce e materia su scala nanometrica in tempo reale, ad altissima risoluzione, a livello di singola particella."