Vadai是斯坦福大學(xué)的博士后研究員，他花了幾個(gè)月的時(shí)間設(shè)計(jì)和排除了一種新工具的問題，該工具可以極大地?cái)U(kuò)展斯坦福納米共享設(shè)施的先進(jìn)顯微鏡的能力。盡管顯微鏡界人士持懷疑態(tài)度，但她和她的研究人員正試圖在光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡之間進(jìn)行聯(lián)合，如果成功的話，將揭示出一個(gè)經(jīng)歷光激活反應(yīng)的單個(gè)粒子。

“我無法強(qiáng)調(diào)讓它第一次運(yùn)作是多么令人興奮。這是一項(xiàng)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，”Vadai說，他是材料科學(xué)與工程副教授Jennifer Dionne的實(shí)驗(yàn)室。“我們第一次開始實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，我們大聲喊叫。我們可以通過光線看到和控制納米粒子的發(fā)生，這非常非常令人興奮。”

這項(xiàng)研究于11月7日在Nature Communications上發(fā)表，專注于光催化反應(yīng)，其中來自可見光的能量引發(fā)鈀納米立方體中的化學(xué)反應(yīng)。這些立方體中的每一個(gè)每側(cè)約30納米 - 大致相當(dāng)于感冒病毒的大小。

科學(xué)家們對(duì)基于大量納米粒子的光催化知之甚多，但這項(xiàng)新技術(shù)使研究人員能夠研究單個(gè)納米粒子中發(fā)生的情況。除光催化外，這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可用于研究光和物質(zhì)的幾乎任何相互作用，分辨率約為2納米，甚至是活細(xì)胞中的那些。

小心翼翼的納米立方體

透射電子顯微鏡通過將電子束縛通過薄片材料來形成圖像。這個(gè)過程揭示了復(fù)雜細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)，但它不允許科學(xué)家觀察在不同光照條件下變化的材料，如眼睛中的光受體，太陽(yáng)能電池中使用的材料，或者在這種情況下，用于催化的鈀納米立方體。新的設(shè)置將電子顯微鏡的分辨率與光學(xué)顯微鏡的顏色融合在一起。

“本文最大的成就之一就是技術(shù)本身，”Dionne說。“我們將各種'顏色'的光帶到電子顯微鏡上。我們的測(cè)量是直接的 - 當(dāng)它在納米粒子內(nèi)展開時(shí)，可以明顯地看到光化學(xué)反應(yīng)。”

這項(xiàng)新技術(shù)涉及一個(gè)定制設(shè)計(jì)的樣品架，樣品裝在樣品架上。周圍是鏡子，用于聚焦來自兩根光纖的光，電子束具有間隙。整個(gè)設(shè)計(jì)必須適合非常有限的空間：顯微鏡中有5 mm的間隙。

為了測(cè)試設(shè)置，研究人員用氫氣泵送樣品室。通過電子顯微鏡觀察，他們可以確認(rèn)鈀納米立方體在充滿氫氣時(shí)改變了相位。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)使得納米立方體將保留在這個(gè)充滿氫的相中，直到研究人員開啟了光。一旦被照亮，他們就會(huì)看到一股水般的波浪優(yōu)雅地流過粒子 - 氫離開鈀。這是一種基于光的反應(yīng)，可以通過電子顯微鏡看到，并且是一種值得追求的快樂成功。

個(gè)體差異

納米粒子經(jīng)常被大量生產(chǎn)和研究，這意味著我們知道它們的大小，形狀或位置各不相同 - 但我們對(duì)這些變化如何影響性能知之甚少。

“如果你真的想深入了解正在發(fā)生的事情的基本物理，你需要看看單個(gè)粒子，因?yàn)槲覀冎纻€(gè)體差異很重要，”Vadai說。“這就像一個(gè)謎，你必須好好看看能夠解決這個(gè)問題的一條線索。”

最初的實(shí)驗(yàn)主要是為了表明該技術(shù)可行，但仍然揭示了納米立方體的新內(nèi)容。首先，反應(yīng)在光線下比在黑暗中快10倍。研究人員還可以看到反應(yīng)的每個(gè)步驟 - 離開納米立方體的氫，納米立方體重排的晶格結(jié)構(gòu) - 如何受到不同波長(zhǎng)的光的影響。

事實(shí)證明，最接近光吸收區(qū)域的納米立方體的角落 - 在這種情況下是附近的金盤 - 是最具反應(yīng)性的。了解發(fā)生的方式和原因可能會(huì)導(dǎo)致基于催化劑幾何形狀的產(chǎn)品選擇性反應(yīng)。

隨著這一概念驗(yàn)證的成功，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)進(jìn)行下一步。例如，研究人員的目標(biāo)是增加光譜學(xué)能力，這意味著他們可以評(píng)估這些反應(yīng)產(chǎn)生的光，以便更詳細(xì)地分析化學(xué)反應(yīng)。

“如果你在談?wù)搯蝹€(gè)粒子，你通常必須努力去看這些微弱的信號(hào)，”Vadai說。“展望未來，這將是一套完整的工具，您可以用它來實(shí)時(shí)研究納米級(jí)光和物質(zhì)的相互作用，在非常高的分辨率下，在單粒子水平上。”