该研究也为未来催化剂的开发提供了基础信息。
电子全息照相的灵敏度提高了十倍，暴露了单个铂纳米粒子中的净电荷，其精确度仅为一个电子。
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来自日本的研究人员现在计算出了一个直径仅为普通病毒直径十分之一的铂纳米颗粒中多余的电荷或缺失的电荷。
这种仔细检查金属纳米颗粒净电荷变化的新方法将有助于进一步了解和开发催化剂，将温室气体和其他危险气体转化为燃料和良性气体，或有效生产农业肥料所需的氨。
超高的灵敏度和精确的电子全息测量围绕铂纳米粒子，就像这里展示的那样，使得科学家们可以第一次以一个电子的精度计算单个催化剂纳米粒子的净电荷。图片来源:九州大学村上实验室
由九州大学和日立公司领导的研究团队，通过将硬件和软件的灵敏度提高到电子全息摄影技术的十倍，完成了这一非凡的计数壮举。
透射电子显微镜使用电子束在原子水平上观察材料，而电子全息术则利用电子的波状特性探测电场和磁场。当电子与场相互作用时，它在其波中产生相移，通过与未受影响的电子的参考波进行比较，可以识别相移。
在这项新研究中，研究人员将显微镜聚焦在氧化钛表面的单个铂纳米颗粒上，氧化钛是一种已知的材料的组合，可以起到催化剂的作用，加速化学反应。
从1966年开始，日立公司就一直在开发全息电子显微镜，作为在极小区域内直接观察电场和磁场的仪器，并在2014年获得了日本政府资助的国家项目“世界领先的科技创新研发资助计划”(“FIRST计划”)的资助，开发了1.2 mv原子分辨率的全息电子显微镜。资料来源:日立有限公司
平均而言，铂纳米颗粒的直径只有10纳米——如此之小，以至于跨越一毫米需要近10万纳米颗粒。
九州大学工程学院副教授麻生良太郎(Ryotaro Aso)说:“虽然每个粒子都包含数万个铂原子，但只要添加或删除一两个带负电的电子，就会导致材料作为催化剂的行为发生显著变化。”麻生良太郎是发表在《科学》杂志上报告这项工作的论文的第一作者。
在无空气的环境中，测量铂纳米粒子周围的电场——电场的变化取决于粒子中正负电荷的不平衡——研究人员可以确定产生电场的多余或缺失电子的数量。
麻生解释说:“在纳米粒子中，数百万带正电荷的质子和带负电荷的电子相互平衡，我们可以成功地分辨出质子和电子的数量是否只相差一个。”
这项新研究强调了直接计数催化剂纳米颗粒中的电荷的重要性。例如，在氧化钛表面的铂纳米粒子上，利用已开发的电子全息降噪技术对电位分布的可视化显示，只有6个额外电子的纳米粒子带负电。这是第一次以一个电子电荷的精度计算每个催化剂纳米颗粒的电荷。图片来源:九州大学村上实验室
尽管用以前的方法观测到的磁场太弱，但研究人员通过使用日立公司(Hitachi)开发和操作的最先进的1.2 mv原子分辨率全息显微镜提高了灵敏度，该显微镜降低了机械和电子噪声，然后处理数据，进一步从噪声中提取出信号。
该信号处理技术是由大阪大学的Yoshihiro Midoh开发的，他是这篇论文的合著者之一。该技术利用所谓的小波隐马尔可夫模型(WHMM)来减少噪声，同时不去除感兴趣的极弱信号。
除了识别单个纳米粒子的电荷状态外，研究人员还能够将电子数量的差异(从1到6个)与纳米粒子晶体结构的差异联系起来。
虽然以前通过对许多粒子的大面积测量进行平均来报告每个区域的电子数量，但这是科学家第一次能够测量单个粒子中单个电子的差异。
“通过结合显微镜硬件和信号处理的突破，我们能够在越来越小的水平上研究现象，”九州大学工程学院教授、九州大学团队主管村上靖(Yasukazu Murakami)评论道。
“在第一次演示中，我们测量了真空中单个纳米粒子上的电荷。在未来，我们希望克服目前阻止我们在气体存在的情况下进行相同测量的挑战，以便在更接近实际应用的环境中获得信息。”
参考文献:“氧化钛上单个铂纳米粒子的荷态的直接识别”，作者:麻生良太郎、Hojo Hajime、高桥吉夫、明石哲、Yoshio Akashi Yoshihiro Midoh、一桥文明、中岛浩、Tamaoka武宏、Yubuta Kunio、Nakanishi Hiroshi、Einaga Hisahiro、谷垣敏昭、Shinada Hiroyuki和村上泰崎，2022年10月13日，《科学》。DOI: 10.1126 / science.abq5868
该研究由日本科学技术振兴机构、日本科学促进会、JST CREST和JSPS KAKENHI资助。
