Zmeraná atómová štruktúra nanočastíc
Vedcom sa po prvýkrát podarilo zmerať atómovú štruktúru jednotlivých nanočastíc. Experimentálne získané údaje by v budúcnosti mohli umožniť lepšie pochopiť vlastnosti nanočastíc.
Z chemického hľadiska majú nanočastice odlišné vlastnosti ako ich „veľké sestry a bratia“: Pokiaľ ide o ich malú hmotnosť, majú veľmi veľkú plochu a zároveň malý počet atómov. To môže viesť k kvantovým účinkom, ktoré vedú k zmeneným vlastnostiam materiálu. Napríklad keramika vyrobená z nanomateriálov sa môže náhle ohýbať alebo zlatá nugetka má zlatú farbu, zatiaľ čo jej nanomierka je červenkastá. Doposiaľ boli účinky týchto zmenených vlastností na živé organizmy málo prebádané. Len nedávno priniesla štúdia senzáciu, podľa ktorej majú nanočastice ako oxid titaničitý v zubnej paste alebo krém na opaľovanie podobný účinok ako azbest v ľudských pľúcach.
Vyvinula sa nová metóda
Presná 3D štruktúra, atómové usporiadanie a najmä povrchové vlastnosti nanočastíc určujú ich chemické a fyzikálne vlastnosti. V novej štúdii, ktorú iniciovala vedkyňa ETH Marta D. Rossell zo skupiny Markusa Niederbergera, profesora Inštitútu pre multifunkčné materiály a výskumníka Empa Rolfa Erniho, bola teraz po prvýkrát identifikovaná trojrozmerná štruktúra jednotlivých nanočastíc na atómovom základe. Nový proces by v budúcnosti mohol pomôcť lepšie pochopiť podstatu nanočastíc vrátane ich reaktivity a toxicity.
Jemné zobrazovacie postupy
Pre svoju štúdiu elektrónovým mikroskopom, ktorá bola dnes zverejnená v časopise Nature, Rossell a Erni pripravili nanočastice striebra v hliníkovej matrici. Matrica uľahčuje nakláňanie nanočastíc do rôznych kryštalografických orientácií pod elektrónovým lúčom a zároveň chráni častice pred poškodením elektrónovými lúčmi. Základnou požiadavkou na štúdiu bol špeciálny elektrónový mikroskop, ktorý dosahoval maximálne rozlíšenie menej ako 50 pikometrov. Pre porovnanie: priemer atómu je asi jeden angstrom, čo je 100 pikometrov. Na dodatočnú ochranu vzorky bol elektrónový mikroskop nastavený tak, aby pri 80 kilovoltoch produkoval obrazy v atómovom rozlíšení aj pri nízkom akceleračnom napätí. Typicky sú elektrónové mikroskopy tohto typu - na svete ich je len pár - pri 200 alebo 300 kilovoltoch. Dvaja vedci na svoje experimenty použili mikroskop v Kalifornii v Národnom laboratóriu Lawrenca Berkeleyho. Experimentálne údaje boli nakoniec doplnené ďalšími meraniami elektrónovým mikroskopom uskutočňovaným v Empa.
Zaostrené obrázky
Na základe mikroskopických snímok vytvorila Sandra Van Aert z Antverpskej univerzity modely, ktoré obrázky „zostrili“ a umožnili ich kvantifikáciu: Snímky rafinované modelom umožnili zosúladiť jednotlivé atómy striebra, ktoré sa rozprestierali v kryštalickej mriežke nanočastice, pozdĺž rôznych kryštalografických orientácií rátanie.
Na trojrozmernú rekonštrukciu atómového usporiadania v nanočastici Rossell a Erni nakoniec priviedli špecialistu na tomografiu Joosta Batenburga z Amsterdamu. Posledne menované použili získané údaje na zrekonštruovanie usporiadania atómov v nanočastici tomograficky pomocou špeciálnych matematických algoritmov. Na reprodukciu nanočastíc, ktoré sa skladajú z približne 784 atómov, stačili iba dva obrázky. Rekonštrukciu nakoniec overili ďalšie dva experimentálne projekcie Rossella a Erniho. „Doteraz bolo možné pomocou mnohých obrázkov z rôznych perspektív zobraziť iba hrubé obrysy nanočastíc,“ hovorí Marta Rossell. Atómové štruktúry sa naopak dali simulovať iba na počítači bez akejkoľvek experimentálnej bázy.
„Aplikácie procesu, napríklad na charakterizáciu dotovaných nanočastíc, sú teraz plánované,“ hovorí Rolf Erni. V budúcnosti by sa metóda mohla použiť na určenie, ktoré atómové konfigurácie sú aktívne na povrchu nanočastíc, napríklad ak majú toxický alebo katalytický účinok. Rossell zdôrazňuje, že štúdiu je možné v zásade uplatniť na všetky nanočastice. Experimentálne údaje, ako sú údaje získané v štúdii, sú však nevyhnutným predpokladom.
Bibliografia:
Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Trojrozmerné atómové zobrazovanie kryštalických nanočastíc, Nature (2011) 470, 374-377, doi: 10,1038/nature09741