De nombreuses grandes avancées technologiques récentes en informatique, communication, l'énergie et la biologie se sont appuyées sur de très petits matériaux, nanoparticules, avec des dimensions inférieures à 1/1, 000e l'épaisseur d'une feuille de papier. Cependant, il peut être difficile de déterminer les meilleurs nanomatériaux pour ces applications, car l'observation des nanoparticules en action nécessite une haute résolution spatiale en "désordonné, « environnements dynamiques.

Dans un pas récent dans cette direction, une équipe d'ingénieurs de Stanford a obtenu un premier aperçu à l'intérieur de nanoparticules à changement de phase, élucider comment leur forme et leur cristallinité - la disposition des atomes dans le cristal - peuvent avoir des effets dramatiques sur leurs performances.

L'oeuvre, qui est décrit dans Matériaux naturels , a des applications immédiates dans la conception de matériaux de stockage d'énergie, mais pourrait éventuellement trouver sa place dans le stockage de données, interrupteurs électroniques et tout dispositif dans lequel la transformation de phase d'un matériau régule ses performances.

Par exemple, dans une batterie lithium-ion, la capacité de la batterie à stocker et à libérer de l'énergie dépend à plusieurs reprises de la capacité de l'électrode à supporter de grandes déformations sur plusieurs cycles de charge et de décharge sans se dégrader. Récemment, les scientifiques ont amélioré l'efficacité de ce processus en nanodimensionnant les électrodes. Les nanoparticules permettent une charge plus rapide, un stockage d'énergie accru et une durée de vie prolongée, mais on ne sait pas quelles formes de nanoparticules, les tailles et les cristallinités produisent les meilleures performances. Répondre à cette question a servi d'inspiration pour la présente étude, « Reconstruire les transformations de phase induites par le soluté au sein de nanocristaux individuels. »

Généralement, il est difficile de déterminer si le comportement d'une collection de nanoparticules est le résultat de chaque composant individuel ayant des performances similaires ou s'il s'agit de la production moyenne des hautes et des faibles performances. Jennifer Dionne, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, et son groupe ont étudié le comportement des particules individuelles pour établir un lien plus fort entre la structure et la fonction qui peut orienter la conception de matériaux de stockage d'énergie de nouvelle génération.

Dans cette expérience, Le groupe de Dionne a examiné comment la variation des formes et de la cristallinité des nanoparticules de palladium affectait leur capacité à absorber et à libérer des atomes d'hydrogène – un analogue à une batterie lithium-ion se déchargeant et se chargeant. Ils ont préparé des cubes, nanoparticules pyramidales et icosaédriques et développé de nouvelles techniques d'imagerie pour regarder à l'intérieur des nanoparticules à diverses pressions d'hydrogène, déterminer où se trouve l'hydrogène.

La technique reposait sur un microscope électronique à transmission environnemental, permettant aux ingénieurs de discerner exactement comment l'hydrogène était distribué dans les nanoparticules et de le faire avec une résolution incroyablement élevée - inférieure à 2 nanomètres.

"Cet instrument est unique en son genre et nous permet d'étudier les matériaux dans leur environnement de travail, " dit Tarun Narayan, co-auteur principal de l'étude et récent doctorat du groupe Dionne.

Le microscope permet l'analyse des particules en utilisant plusieurs techniques différentes, comme l'imagerie directe, diffraction et spectroscopie.

"Chaque technique offre des informations différentes qui peuvent être combinées pour obtenir un compréhension multidimensionnelle du système, " a déclaré Andrea Baldi, co-auteur postdoctoral et maintenant membre du corps professoral de l'Institut néerlandais de recherche fondamentale sur l'énergie (DIFFER) aux Pays-Bas.

Les chercheurs ont découvert que la structure des nanoparticules influence considérablement les performances. Les structures icosaédriques, par exemple, montrent une capacité de stockage d'énergie réduite et une absorption d'hydrogène plus progressive que les cubes et pyramides monocristallins. Des cartes à haute résolution des particules démontrent que l'hydrogène est exclu du centre de la particule, diminuant ainsi la capacité globale d'incorporation d'hydrogène. La caractérisation structurelle montre que l'absorption progressive de l'hydrogène se produit parce que différentes régions de la particule absorbent l'hydrogène à différentes pressions, contrairement à ce qui est observé dans les monocristaux.

"Nous n'aurions pas pu envisager de faire des observations in situ comme celle-ci au niveau atomique il y a encore quelques années, et donc ce que l'équipe a démontré et réalisé est remarquable dans le domaine de l'imagerie des matériaux, " a déclaré le co-auteur Robert Sinclair, professeur de science et d'ingénierie des matériaux.

Ai Leen Koh, un scientifique de l'équipe Nano Shared Facilities de Stanford qui était également l'auteur du travail, a déclaré que "ces résultats montrent comment la microscopie électronique environnementale in situ peut être utilisée pour regarder à l'intérieur des nanoparticules individuelles exposées à l'hydrogène gazeux en temps réel".

"Avec cette capacité à regarder à l'intérieur des nanoparticules pendant leur fonctionnement, nous pouvons aider à concevoir des matériaux champions pour les dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération, " dit Dionne, qui est également membre de Stanford Bio-X et du Stanford Neurosciences Institute, et une filiale du Stanford Precourt Institute for Energy.