Cosa vedi nella foto sopra? Solo un'immagine tridimensionale di nanoparticelle disegnata con precisione? Molto di più, i nanotecnologi diranno, grazie a un nuovo studio pubblicato sulla rivista Scienza . Se un materiale catalizza reazioni chimiche o impedisce qualsiasi risposta molecolare, dipende da come sono disposti i suoi atomi. L'obiettivo finale della nanotecnologia è incentrato sulla capacità di progettare e costruire materiali atomo per atomo, consentendo così agli scienziati di controllare le loro proprietà in qualsiasi scenario. Però, le tecniche di imaging atomico non sono state sufficienti per determinare le precise disposizioni atomiche tridimensionali dei materiali in soluzione liquida, che direbbe agli scienziati come si comportano i materiali nella vita di tutti i giorni, come nell'acqua o nel plasma sanguigno.

I ricercatori del Centro per la ricerca sulle nanoparticelle dell'Istituto per le scienze di base (IBS, Corea del Sud), in collaborazione con il Dr. Hans Elmlund presso il Biomedicine Discovery Institute della Monash University in Australia e il Dr. Peter Ercius presso la Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti, hanno riportato una nuova metodologia analitica in grado di risolvere la struttura 3-D delle singole nanoparticelle con risoluzione a livello atomico. Le posizioni atomiche 3D delle singole nanoparticelle possono essere estratte con una precisione di 0,02 nm, sei volte più piccola dell'atomo più piccolo:l'idrogeno. In altre parole, questo metodo ad alta risoluzione rileva i singoli atomi e come sono disposti all'interno di una nanoparticella.

I ricercatori chiamano il loro sviluppo 3-D SINGLE (Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid cell Electron microscopy) e utilizzano algoritmi matematici per derivare strutture 3-D da una serie di dati di imaging 2-D acquisiti da uno dei microscopi più potenti sulla Terra . Primo, una soluzione di nanocristalli è inserita tra due fogli di grafene, ciascuno spesso solo un atomo. "Se una ciotola di pesce fosse fatta di un materiale spesso, sarebbe difficile vedere attraverso di essa. Poiché il grafene è il materiale più sottile e resistente al mondo, abbiamo creato tasche di grafene che consentono al fascio di elettroni del microscopio di brillare attraverso il materiale e contemporaneamente sigillare il campione liquido, " spiega Park Jungwon, uno degli autori corrispondenti dello studio (assistente professore presso la School of Chemical and Biological Engineering della Seoul National University).

I ricercatori ottengono filmati a 400 immagini al secondo di ciascuna nanoparticella che ruota liberamente nel liquido utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (TEM). Il team applica quindi la propria metodologia di ricostruzione per combinare le immagini 2-D in una mappa 3-D che mostra la disposizione atomica. L'individuazione della posizione precisa di ciascun atomo rivela ai ricercatori come è stata creata la nanoparticella e come interagirà nelle reazioni chimiche.

Lo studio ha definito le strutture atomiche di otto nanoparticelle di platino:il platino è il più prezioso dei metalli preziosi, utilizzato in una serie di applicazioni come i materiali catalitici per lo stoccaggio di energia nelle celle a combustibile e la raffinazione del petrolio. Anche se tutte le particelle sono state sintetizzate nello stesso lotto, hanno mostrato importanti differenze nelle loro strutture atomiche che influenzano le loro prestazioni.

"Ora è possibile determinare sperimentalmente le precise strutture 3-D dei nanomateriali che erano state solo ipotizzate teoricamente. La metodologia che abbiamo sviluppato contribuirà ai campi in cui vengono utilizzati i nanomateriali, come le celle a combustibile, veicoli a idrogeno, e sintesi petrolchimica, "dice il dottor Kim Byung Hyo, il primo autore dello studio. In particolare, questa metodologia può misurare lo spostamento atomico e la deformazione sugli atomi di superficie delle singole nanoparticelle. L'analisi della deformazione dalla ricostruzione 3-D facilita la caratterizzazione dei siti attivi dei nanocatalizzatori su scala atomica, che consentirà la progettazione basata sulla struttura per migliorare le attività catalitiche. La metodologia può anche contribuire più in generale al miglioramento delle prestazioni dei nanomateriali.

"Abbiamo sviluppato una metodologia rivoluzionaria per determinare le strutture che governano le proprietà fisiche e chimiche delle nanoparticelle a livello atomico nel loro ambiente nativo. La metodologia fornirà importanti indizi nella sintesi dei nanomateriali. L'algoritmo che abbiamo introdotto è relativo al nuovo farmaco sviluppo attraverso l'analisi della struttura delle proteine ​​e l'analisi dei big data, quindi ci aspettiamo un'ulteriore applicazione alla nuova ricerca sulla convergenza, " osserva il direttore Hyeon Taeghwan dell'IBS Center for Nanoparticle Research.