Физики впервые запечатлели движение наночастиц палладия: видео
Ученые из Школы химии Ноттингемского университета впервые засняли в режиме реального времени жизненный цикл наночастиц палладия с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Эти крошечные частицы, размер которых измеряется в нанометрах (один нанометр – одна миллиардная метра), демонстрируют процесс самообновления, который может привести к созданию более эффективных катализаторов для экологически чистых реакций, таких как снижение уровня углекислого газа или производство аммиака. Результаты наблюдения опубликованы в Nanoscale.
Исследователи наблюдали, как наночастицы палладия, возникшие из раствора соли палладия, постепенно растут до размера около 5 нанометров, после чего начинают растворяться обратно в раствор. Этот цикл — зарождение, рост и растворение — повторяется несколько раз.
Представьте, что вы наблюдаете за пузырьками на кипящей воде, которые сначала формируются, растут, а затем лопаются. В данном случае вместо пузырьков речь идет о крошечных металлических частицах, которые «пульсируют» в жидкости.
ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) позволяет «видеть» объекты на атомном уровне, но электронный пучок микроскопа не только фиксирует изображение, он может влиять на изучаемый материал. Как объясняет доктор Уилл Калл, научный сотрудник Ноттингемского университета:
«Ключ к пониманию этого неожиданного явления лежит в признании того, что электронная микроскопия — это мощный метод визуализации, который также может изменять наблюдаемый материал.»
Энергия, переносимая электронным лучом, разрывает связи между атомами (например, связи углерод-водород) и выбивает валентные электроны из ионов брома в растворителе. Это провоцирует химические реакции, приводящие к восстановлению ионов палладия до металлического состояния, а затем их окислению обратно до ионов. В результате, наночастицы постоянно растут и сжимаются, переходя между двумя химическими состояниями.
Палладий является стратегически важным ресурсом для промышленности, а его доступность ограничена. Улучшение катализаторов способно повысить энергоэффективность и снизить выбросы вредных веществ. Более того, понимание динамики наночастиц на таком маленьком масштабе может открыть новые пути в переработке металлов и разработке экологически чистых технологий.
Профессор Андрей Хлобыстов, руководитель исследовательской группы, отметил:
«Мы планировали изучить, как в жидкости формируются наночастицы палладия, и были рады наблюдать этот процесс в реальном времени с помощью просвечивающей электронной микроскопии.»
Обычно химические реакции, включая те, что происходят с наночастицами, идут только в одном направлении — так диктуют законы термодинамики. Однако в природе часто встречаются колебательные химические реакции, при которых вещества периодически изменяют свое состояние. Такие процессы характерны для живых организмов, которые находятся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Изучение этих колебаний может помочь раскрыть многие природные загадки — от того, как из хаоса возникает порядок, до появления узоров на шерсти животных и даже до происхождения жизни на Земле.
