Oltre ai loro componenti principali, le proprietà dei materiali cristallini e nanoporosi spesso dipendono in modo cruciale da atomi o ioni ospiti incorporati nei minuscoli pori della loro struttura reticolare. Ciò vale sia per i materiali high-tech utilizzati nella tecnologia dei sensori o nella tecnologia di separazione, sia per i materiali naturali. La pietra preziosa bluastra acquamarina, ad esempio, sarebbe incolore senza tali componenti ospiti.
Determinare il tipo e la posizione dei componenti ospiti è difficile, poiché molti materiali reagiscono in modo sensibile alle emissioni di radiazioni dei microscopi elettronici.
Grazie a un nuovo metodo sviluppato da un team guidato da Daniel Knez e Ferdinand Hofer presso l’Istituto di microscopia elettronica e nanoanalisi dell’Università di Tecnologia di Graz (TU Graz), ora questo può essere fatto con meno radiazioni ed è quindi molto più semplice. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Communications Materials.
"L'unicità del nostro metodo sta nel fatto che possiamo determinare la distribuzione tridimensionale degli ioni nei canali cristallini o nei nanopori sulla base di una singola immagine al microscopio elettronico", afferma Daniel Knez.
I ricercatori hanno sviluppato il loro metodo analizzando la pietra preziosa acquamarina. Fino ad ora non si sapeva dove fosse posizionato esattamente nel cristallo il ferro che conferisce alla pietra il suo colore blu.
Un'ipotesi era che i singoli atomi di ferro fossero bloccati nei pori e creassero questo effetto da lì. Ma questo ora è stato smentito. Nei loro esperimenti i ricercatori hanno stabilito senza alcun dubbio che nei pori non c'è ferro, ma ioni di cesio. Gli atomi di ferro che conferiscono il colore si trovano in prossimità degli ioni di cesio, ma sono integrati nelle colonne del reticolo cristallino.
Una singola immagine con risoluzione atomica come base
Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno registrato una cosiddetta immagine con contrasto Z del cristallo di acquamarina a risoluzione atomica utilizzando il microscopio ASTEM, un microscopio elettronico a trasmissione e scansione. Il fascio elettronico del microscopio ASTEM viene focalizzato sulla superficie del campione di cristallo, penetrando anche nei pori del materiale. Se colpisce gli ioni immagazzinati lì, appaiono come punti luminosi nell'immagine.
In base all'intensità del contrasto con i pori vuoti e le strutture reticolari vicine, i ricercatori possono determinare il tipo di ioni incorporati e anche stimare la profondità con cui si trovano nei pori.
Questi dati sono stati analizzati statisticamente e confrontati con un gran numero di simulazioni della struttura cristallina per poter stimare i vari fattori che influenzano il segnale misurato.
Oltre alla ricerca di base, il nuovo metodo è adatto anche allo sviluppo mirato di nuovi materiali. "Il nostro metodo può essere utilizzato per determinare con precisione la posizione degli elementi droganti, cioè degli additivi mirati per il controllo della funzione, in materiali nanoporosi come zeoliti o composti di struttura metallo-organica", afferma Ferdinand Hofer.
Ciò facilita l'ottimizzazione dei catalizzatori (a singolo atomo) e degli elettroliti a stato solido nelle future batterie o lo sviluppo di applicazioni biomediche per il controllo dell'assorbimento dei farmaci.
Ulteriori informazioni: Daniel Knez et al, Distribuzione tridimensionale dei singoli atomi nei canali del berillo, Materiali per le comunicazioni (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00458-8
Fornito dal Politecnico di Graz
