Nature-artikel: onderzoekers brengen atomen driedimensionaal in beeld

Publication date: 03-02-2011



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/