باهمکاری شرکت هیتاچی و دانشگاه کیوشو، دانشمندان ژاپنی تعداد بارهای اضافی یا مفقود شده را با دقت تنها یک الکترون در نانوذرات پلاتین منفرد، شمارش کرده‌اند.
تعداد الکترون‌ها در یک نانوذره پلاتین با دقت شمارش شد
این فرآیند جدید برای مطالعه دقیق تفاوت‌های بار خالص در نانوذرات فلزی به درک بیشتر و توسعه کاتالیست‌ها کمک می‌کند، کاتالیزورهایی که برای تجزیه گازهای گلخانه‌ای و سایر گازهای مضر و تبدیل آن به سوخت و گازهای مفید یا برای تولید موثر آمونیاک مورد نیاز برای کودهای مورد استفاده در کشاورزی، طراحی می‌شوند.
این پروژه با همکاری دانشگاه کیوشو و شرکت هیتاچی انجام شده است. این تیم تحقیقاتی با پیشرفت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری به این شاهکار شمارش دست یافتند که حساسیت روشی به نام هولوگرافی الکترونی را ده برابر افزایش داد.
در حالی که میکروسکوپ الکترونی عبوری از پرتوی الکترون برای مشاهده مواد تا سطح اتمی استفاده می‌کند، هولوگرافی الکترونی از خواص موج مانند الکترون‌ها برای بررسی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی استفاده می‌کند.
برهمکنش یک الکترون با میدان‌ها باعث تغییر فاز در موج الکترون میشود که با مقایسه آن با موج مرجع یک الکترون بدون تأثیر قابل شناسایی است.
در این کار جدید، محققان میکروسکوپ خود را بر روی تک نانوذرات پلاتین روی سطح اکسید تیتانیوم متمرکز کردند، ترکیبی از موادی که به‌عنوان کاتالیزور عمل می‌کند و واکنش‌های شیمیایی را سرعت می‌بخشد.
در این پروژه، به طور متوسط، قطر نانوذرات پلاتین تنها ۱۰ نانومتر بود. ریوتارو آسو، دانشیار دانشکده دانشگاه کیوشو می‌گوید: «در حالی که هر ذره حاوی چند ده هزار اتم پلاتین است، افزودن یا حذف فقط یک یا دو الکترون با بار منفی باعث تغییرات قابل توجهی در رفتار مواد به عنوان کاتالیزور میشود.»
با اندازه‌گیری میدان‌های اطراف یک نانوذره پلاتین، که بسته به عدم تعادل بارهای مثبت و منفی در ذره متفاوت است، در محیطی عاری از هوا، محققان می‌توانند تعداد الکترون‌های اضافی یا مفقودی را که این میدان‌ها را ایجاد میشود، را تعیین کنند.
آسو توضیح می‌دهد: «در میان میلیون‌ها پروتون با بار مثبت و الکترون‌هایی با بار منفی که یکدیگر را در نانوذره متعادل می‌کنند، ما می‌توانیم با دقت بگوییم که آیا تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها فقط یک عدد با هم متفاوت است یا خیر.»
اگرچه این میدان‌ها برای مشاهده با روش‌های قبلی بسیار ضعیف هستند، اما محققان با استفاده از یک میکروسکوپ هولوگرافی با وضوح اتمی پیشرفته ۱٫۲ MV که توسط هیتاچی توسعه یافته، موفق شدند نشان دهند که نویزهای مکانیکی و الکتریکی و سپس پردازش داده‌ها با این میکروسکوپ کاهش یافته و در نتیجه حساسیت بهبود پیدا کرده است.
علاوه بر شناسایی وضعیت بار تک تک نانوذرات، محققان توانستند تفاوت‌ها در تعداد الکترون‌ها را که از یک تا شش متغیر بود، به تفاوت‌های ساختار بلوری نانوذرات مرتبط کنند. این اولین باری است که دانشمندان می‌توانند تفاوت الکترون را در یک ذره اندازه‌گیری کنند.
یاسوکازو موراکامی، استاد دانشکده مهندسی دانشگاه کیوشو و سرپرست تیم کیوشو یو می‌گوید: «با ترکیب پیشرفت‌ها در سخت‌افزار میکروسکوپی و پردازش سیگنال، می‌توانیم پدیده‌ها را در سطوح کوچک‌تر مطالعه کنیم.»
