Onderzoekers
van de Universiteit Antwerpen, het Centrum Wiskunde & Informatica
(CWI) in Amsterdam en uit Zwitserland hebben een nieuwe methode
ontwikkeld om individuele atomen in het inwendige van minuscule deeltjes
in drie dimensies in beeld te brengen. Daarvoor pasten zij complexe
meettechnieken toe op beelden die opgenomen zijn met een geavanceerde
elektronenmicroscoop. De onderzoekers krijgen daarmee meer inzicht in de
driedimensionale structuur van materialen. Het onderzoek verschijnt op 2
februari in het tijdschrift Nature. Dit onderzoek is onder andere
belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, zonnecellen en
betere LED-verlichting.
Atomen tellen
Nanodeeltjes zijn materiële structuren
die uit enkele tot een paar duizend atomen bestaan en amper 1 tot 100
nanometer (miljardste meter) groot zijn. Ze hebben interessante
fysische, chemische en biologische eigenschappen die anders zijn dan van
hetzelfde materiaal op een grotere schaal. Zo verandert de kleur van
goud van geel naar rood als gouddeeltjes slechts een paar nanometer
groot zijn. Hoe deze eigenschappen tot uiting komen, wordt bepaald door
de exacte driedimensionale structuur van alle atomen binnen een
nanodeeltje. Om die reden is het inzoomen tot op atomair niveau sinds
geruime tijd een uitdaging. Voor het eerst zijn wetenschappers er nu in
geslaagd die uitdaging in de praktijk waar te maken.
Daarvoor
pasten zij complexe algoritmen toe op beelden van een zilver
nanodeeltje, verkregen met een van de krachtigste elektronenmicroscopen
ter wereld. Door het deeltje onder verschillende hoeken te observeren en
innovatieve meettechnieken toe te passen kon de volledige atomaire
structuur in drie dimensies in kaart worden gebracht. Het was mogelijk
een 3D reconstructie te berekenen uit slechts enkele microscopische
beelden dankzij het gebruik van geavanceerde wiskundige technieken voor
discrete tomografie.
Internationaal team
Het onderzoek werd
uitgevoerd aan het EMAT-laboratorium (Electron Microscopy for Materials
Science) van de Universiteit Antwerpen, onder leiding van Sandra Van
Aert en Gustaaf Van Tendeloo, en aan het Centrum Wiskunde &
Informatica in Amsterdam, onder leiding van Joost Batenburg. Ook de
Zwitserse wetenschappers Rolf Erni en Marta Rossell verleenden hun
medewerking aan het onderzoek. De experimenten werden uitgevoerd met een
prototype van de nieuwe Qu-Ant-EM elektronenmicroscoop, die sinds juni
2010 officieel in gebruik is in Antwerpen.
Hun onderzoek verlegt
de grenzen van onze waarneming en kan met name het onderzoek naar
nanodeeltjes verder stimuleren. De mogelijkheid om de driedimensionale
structuur van nanodeeltjes tot op atomair niveau in kaart te brengen,
zal substantieel bijdragen tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met
revolutionair nieuwe eigenschappen. Zo zal men nieuw inzicht kunnen
verwerven dat nodig is om de structuur en activiteit van katalysatoren
te begrijpen en om optimale katalysatoren te ontwerpen, bijvoorbeeld
voor gebruik in de autoindustrie. Kennis van de atomaire structuur is
bovendien van essentieel belang bij de ontwikkeling van onder meer
efficiëntere zonnecellen, computerchips, veelzijdige lasers en
aangename, meer heldere LED-verlichting.
- Illustratie: "Wetenschappers brengen de driedimensionale structuur van een zilver
nanodeeltje op atomair niveau in kaart, met de hulp van een van de
krachtigste elektronenmicroscopen ter wereld". Bron: Universiteit
Antwerpen.
- Het Nature-artikel verschijnt op 2 februari 2011 na 19.00 uur op http://dx.doi.org/10.1038/nature09741 en op http://www.nature.com/
