Nanopartiklar – små men unika

Forskare vid Chalmers har utvecklat ett nytt sätt att studera enskilda nanopartiklar och upptäckt att partiklar, som vid första anblick verkar vara identiska, i själva verket kan ha mycket olika egenskaper. Resultaten, som kan bli viktiga för utvecklingen av nya material eller i tillämpningar som vätgas-sensorer till bränslecellsbilar, publiceras i tidskriften Nature Materials.

– Vi har visat att man får djupare kunskap om hur nanomaterial samverkar med molekyler i sin omgivning genom att titta på enskilda nanopartiklar istället för att titta på många av dem på samma gång, vilket vanligtvis sker, säger docent Christoph Langhammer, som lett projektet.

Genom att tillämpa en ny experimentell metod, så kallad plasmonisk nanospektroskopi, studerade gruppen hur enskilda nanopartiklar av palladium absorberar väte. De fann att partiklar med exakt samma form och storlek kan uppvisa skillnader så stora som 40 millibar i det tryck vid vilket väte absorberats. Ett exempel på tillämpningsområde där denna nya kunskap kan bli värdefull i framtiden är inom utvecklingen av sensorer som kan upptäcka vätgasläckage i bränslecellsdrivna bilar.

– En stor utmaning när man tar fram vätgassensorer är att utforma material som svarar på väte så linjärt och reversibelt som möjligt. I det sammanhanget kan det vara fördelaktigt att ha en grundläggande förståelse för vad som orsakar skillnaderna mellan till synes identiska partiklar, och hur dessa vid en viss vätekoncentration kan göra responsen irreversibel, säger Langhammer.

Andra forskare har studerat enskilda nanopartiklar en i taget, men det som är nytt i den metod som tagits fram av Chalmersforskarna är att den använder synligt ljus med låg intensitet. Detta innebär att metoden inte stör det system som den undersöker, genom exempelvis uppvärmning.

– När man studerar en nanopartikel måste man skicka in någon form av sond eller avläsare som frågar partikeln "vad gör du?". Det betyder oftast att man fokuserar en stråle med elektroner eller fotoner eller en mekanisk sond på en mycket liten volym. Då skapas snabbt en mycket hög energidensitet som kan störa processen som man vill titta på. Denna effekt minimeras i vår nya strategi, som dessutom går att använda vid atmosfärstryck, vilket innebär att vi kan studera enskilda nanopartiklar i en så realistisk miljö som möjligt.

Trots att forskargruppen nu har nått en nivå där resultaten är redo att publiceras, tror Christoph Langhammer att de bara har skrapat på ytan när det gäller vad deras upptäckt och experimentella metod kan komma att leda till i framtiden. Han hoppas ha bidragit till att skapa ett nytt experimentellt paradigm där det kommer att vara standard inom den vetenskapliga världen att studera nanopartiklar en i taget.

– Att titta på och ta fram ett genomsnitt av hundratals eller miljontals nanopartiklar är inte tillräckligt om du vill förstå detaljerna i hur dessa beter sig i olika miljöer och tillämpningar. Man måste titta på de enskilda partiklarna och vi har hittat ett nytt sätt att göra det på. Min egen långsiktiga vision är att tillämpa vår metod på mer komplexa processer och material, och att tänja på gränserna för hur små nanopartiklar vi kan mäta. Förhoppningsvis kommer vi längs vägen att få ännu djupare insikt i nanomaterialens fascinerande värld.

Den vetenskapliga artikeln Hydride formation thermodynamics and hysteresis in individual Pd nanocrystals with different size and shape publiceras i webbversionen av Nature Materials den 7 september.

För mer information, kontakta:

Christoph Langhammer
Docent, projektledare
031-772 33 31
clangham@chalmers.se

Svetlana Syrenova
Doktorand, första författare
031-772 30 07
svetlana.syrenova@chalmers.se

Bildtext: En plasmonisk nanoantenn i guld avläser väteabsorptionen i en intilliggande nanokub av palladium. Illustration: Ella Marushchenko och Alex Tokarev

Mer om: Metoden
Plasmonisk nanospektroskopi av enskilda partiklar utnyttjar det faktum att
nanopartiklar av ädelmetall, till exempel guld, interagerar starkt med synligt ljus genom ett fenomen som kallas plasmonresonans. Detta innebär att dessa så kallade plasmoniska nanoantenner syns i ett enkelt optiskt mikroskop. När en sådan nanoantenn interagerar med ljus skapas ett starkt elektriskt fält kring den, som gör att den blir en mycket känslig avläsare av kemiska processer i dess närmsta omgivning.

Kombinationen av dessa två effekter är i huvudsak vad Chalmersforskarna har använt sig av för att studera enskilda nanopartiklar. Genom att koppla en nanopartikel av palladium till den plasmoniska nanoantennen i guld kan de använda antennen för att observera väteabsorptionen i den kopplade nanopartikeln, som har väl definierad storlek och form, till exempel en kub, en oktaeder eller nanorod.

Mer om: Varför varje nanopartikel är unik.
Utvalda nanopartiklar av samma material och med samma storlek och form kan verka identiska vid en första anblick. Trots detta uppvisade de nanopartiklar av palladium som studerades av forskarna på Chalmers markanta skillnader i hur de interagerar med vätgas, och i bildandet av en så kallad hydrid. Anledningen till detta påvisade beteende är det energiska samspelet mellan dislokationer och spänningar i atomgittret som skapas i gränssnittet mellan metall och metallhydridfasen under hydridbildningen. Detta samspel är unikt för varje nanopartikel eftersom det styrs av partikelspecifika defektstrukturer på atomär nivå.

Mer om: Forskningen
Projektet har varit ett framgångsrikt samarbete inom Chalmers styrkeområde Nanovetenskap och Nanoteknik. I enlighet med styrkeområdets ambition att arbeta över institutionsgränser, involverar projektet forskare från institutionerna för teknisk fysik och kemi. Styrkeområdet har även finansierat Svetlana Syrenova, den doktorand, som utfört alla experiment samt doktor, Yuri Diaz Fernandez, som inom kemidocent Kasper Moth-Poulsens grupp har utvecklat den våtkemiska process som använts för att göra proven tillsammans med doktorand Tina Gschneidtner.