Pour la première fois, des scientifiques de l'Empa et de l'ETH Zurich ont, en collaboration avec une équipe néerlandaise, réussi à mesurer la structure atomique de nanoparticules individuelles. La technique, récemment publié dans La nature , pourrait aider à mieux comprendre les propriétés des nanoparticules à l'avenir.

En termes chimiques, les nanoparticules ont des propriétés différentes de leurs « grands frères et sœurs » :elles ont une grande surface par rapport à leur petite masse et en même temps un petit nombre d'atomes. Cela peut produire des effets quantiques qui conduisent à des propriétés matérielles altérées. Les céramiques constituées de nanomatériaux peuvent soudainement se courber, par exemple, ou une pépite d'or est de couleur or tandis qu'un nanoruban est rougeâtre.

Les propriétés chimiques et physiques des nanoparticules sont déterminées par leur morphologie tridimensionnelle exacte, structure atomique et surtout leur composition de surface. Dans une étude initiée par la scientifique de l'ETH Zurich Marta Rossell et le chercheur de l'Empa Rolf Erni, la structure 3D des nanoparticules individuelles a maintenant été déterminée avec succès au niveau atomique. La nouvelle technique pourrait aider à améliorer notre compréhension de la caractéristique des nanoparticules, y compris leur réactivité et leur toxicité.

Pour leur étude au microscope électronique, qui a été publié récemment dans la revue La nature , Rossell et Erni ont préparé des nanoparticules d'argent dans une matrice d'aluminium. La matrice facilite l'inclinaison des nanoparticules sous le faisceau d'électrons dans différentes orientations cristallographiques tout en protégeant les particules des dommages causés par le faisceau d'électrons. La condition de base pour l'étude était un microscope électronique spécial qui atteint une résolution maximale de moins de 50 picomètres. A titre de comparaison :le diamètre d'un atome mesure environ un ngström, soit 100 picomètres.

Pour protéger davantage l'échantillon, le microscope électronique a été configuré de manière à produire également des images à une résolution atomique avec une tension d'accélération plus faible, soit 80 kilovolts. Normalement, ce type de microscope – peu nombreux dans le monde – fonctionne à 200 – 300 kilovolts. Les deux scientifiques ont utilisé un microscope au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie pour leurs expériences. Les données expérimentales ont été complétées par des mesures supplémentaires au microscope électronique effectuées à l'Empa.

Sur la base de ces images microscopiques, Sandra Van Aert de l'Université d'Anvers a créé des modèles qui ont affiné les images et permis de les quantifier :les images raffinées ont permis de compter les atomes d'argent individuels le long de différentes directions cristallographiques.

Pour la reconstruction tridimensionnelle de l'arrangement atomique dans la nanoparticule, Rossell et Erni ont finalement demandé l'aide du spécialiste en tomographie Joost Batenburg d'Amsterdam, qui a utilisé les données pour reconstruire tomographiquement la structure atomique de la nanoparticule sur la base d'un algorithme mathématique spécial. Seules deux images ont suffi pour reconstruire la nanoparticule, qui se compose de 784 atomes. "Jusqu'à maintenant, seuls les contours grossiers des nanoparticules ont pu être illustrés à l'aide de nombreuses images sous différentes perspectives, " dit Marta Rossell. Structures atomiques, d'autre part, ne pouvait être simulé que sur ordinateur sans base expérimentale.

« Applications de la méthode, comme la caractérisation des nanoparticules dopées, sont maintenant sur les cartes, " dit Rolf Erni. Par exemple, la méthode pourrait un jour être utilisée pour déterminer quelles configurations atomiques deviennent actives à la surface des nanoparticules si elles ont un effet toxique ou catalytique. Rossell souligne qu'en principe l'étude peut être appliquée à tout type de nanoparticule. Le préalable, cependant, est des données expérimentales comme celle obtenue dans l'étude.