Atomen worstelen om de zuurstof: "Ni, je bent weg!"

Geplaatst op 07 november 2019 om 15:49 uur
Atomen worstelen om de zuurstof:
Een internationaal team van onderzoekers heeft de gecontroleerde vorming van nanodeeltjes in anorganische perovskietmaterialen in realtime waargenomen met een geavanceerde elektronenmicroscoop. "Het is alsof je atomen ziet worstelen om zuurstof."

Het resultaat is gepubliceerd in ACS Nano.


"Het is bijna hetzelfde als kijken naar lanthaan-, calcium-, nikkel- en titaniumatomen die worstelen om de weinige zuurstofatomen in hun perovskiet-atoomrooster", zegt Differ-onderzoeker Vasileios Kyriakou. "Je ziet clusters van nikkelatomen op een zeer gecontroleerde manier naar buiten worden geduwd, waarschijnlijk omdat ze de zuurstof het minst goed kunnen vasthouden. Collega Mihalis Tsampas: "En het effect is dat je eindigt met gelijkmatig verdeelde nikkelnanodeeltjes, nog steeds gedeeltelijk ingebed in het oppervlak."


Het is wetenschap in actie, of beter gezegd: het verkrijgen van gedetailleerd inzicht in hoe het proces van exsolutie volledig kan worden gestuurd om geavanceerde energiematerialen te produceren. Het gebruik van perovskiet voor katalyse en energieconversie vereist varianten met over het oppervlak verspreide nanodeeltjes. Dat leidt tot twee vragen die cruciaal zijn voor de prestaties: hoe kunnen deze nanodeeltjes gelijkmatig over het perovskietoppervlak worden verdeeld? En als dat lukt, hoe moet je deze deeltjes dan aan het oppervlak verankeren?


In plaats van de nanodeeltjes op het oppervlak te spuiten met behulp van afzettingstechnieken, kunnen ze dus ook worden gemaakt door de nanodeeltjes rechtstreeks uit het materiaal te laten groeien, via exsolutie. Ontmengde nanodeeltjes staan bekend om hun unieke stabiliteit en reactiviteit. De atomaire schaalprocessen die hun vorming beheersen, waren echter niet duidelijk. Tot nu.


Kyriakou en Tsampas werkten samen met onderzoekers van de universiteiten in Newcastle en Lyon en de nieuwste generatie milieutransmissie-elektronenmicroscoop om de ontmenging van afzonderlijke nanodeeltjes te visualiseren en tegelijkertijd een gedetailleerde modellering van het proces te krijgen. Inleidende experimenten met ex-situ-analyse werden uitgevoerd om te bepalen of de tijdschalen van het exsolutieproces overeenkomen met die van de microscopie. Tsampas: "Deze elektronenmicroscoop bood de ultrahoge ruimtelijke en temporele resolutie om de dynamiek van atomaire beweging, deeltjesvorming en roosterreconstructie rond de nanodeeltjes tijdens exsolutie te onthullen."


Het gedetailleerde begrip van het exsolution-proces leidt tot nieuwe mogelijkheden voor het beheersen van spanning en reactiviteit op nanoschaal. Tsampas: "Onze observaties bepalen nieuwe principes voor bottom-up observatie en afstemming van energiematerialen."

 
© Engineersonline.nl