Dans un laboratoire à 18 pieds au-dessous de l'Ingénierie Quad de l'Université de Stanford, les chercheurs du laboratoire Dionne ont campé avec l'un des microscopes les plus avancés au monde pour capturer une réaction incroyablement petite.

Les membres du laboratoire ont mené des expériences ardues - nécessitant parfois 30 heures de travail continu - pour capturer en temps réel, des visualisations dynamiques d'atomes qui pourraient un jour aider nos batteries de téléphone à durer plus longtemps et nos véhicules électriques aller plus loin avec une seule charge.

Travaillant sous terre dans les laboratoires creusés dans des tunnels, ils ont enregistré des atomes entrant et sortant de nanoparticules de moins de 100 nanomètres, avec une résolution proche de 1 nanomètre.

« La possibilité de visualiser directement les réactions en temps réel avec une résolution aussi élevée nous permettra d'explorer de nombreuses questions sans réponse dans les sciences chimiques et physiques, " dit Jen Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et auteur principal de l'article détaillant ce travail, publié le 16 janvier dans Communication Nature . "Bien que les expériences ne soient pas faciles, ils ne seraient pas possibles sans les progrès remarquables de la microscopie électronique au cours de la dernière décennie."

Leurs expériences se sont concentrées sur l'hydrogène se déplaçant dans le palladium, une classe de réactions connues sous le nom de transition de phase induite par intercalation. Cette réaction est physiquement analogue à la façon dont les ions circulent dans une batterie ou une pile à combustible pendant la charge et la décharge. L'observation de ce processus en temps réel permet de comprendre pourquoi les nanoparticules font de meilleures électrodes que les matériaux en vrac et s'inscrit dans l'intérêt plus large de Dionne pour les dispositifs de stockage d'énergie qui peuvent se charger plus rapidement, retenir plus d'énergie et éviter l'échec permanent.

Complexité technique et fantômes

Pour ces expériences, le laboratoire Dionne a créé des nanocubes de palladium, une forme de nanoparticule, dont la taille variait d'environ 15 à 80 nanomètres, puis les a placés dans un environnement d'hydrogène gazeux au sein d'un microscope électronique. Les chercheurs savaient que l'hydrogène modifierait à la fois les dimensions du réseau et les propriétés électroniques de la nanoparticule. Ils pensaient que, avec l'objectif de microscope et la configuration d'ouverture appropriés, des techniques appelées microscopie électronique à transmission à balayage et spectroscopie de perte d'énergie électronique pourraient montrer l'absorption d'hydrogène en temps réel.

Après des mois d'essais et d'erreurs, les résultats étaient extrêmement détaillés, vidéos en temps réel des changements dans la particule à mesure que l'hydrogène a été introduit. L'ensemble du processus était si compliqué et nouveau que la première fois qu'il a fonctionné, le labo n'avait même pas le logiciel vidéo en cours d'exécution, les amenant à capturer leur premier succès de film sur un smartphone.

Suite à ces vidéos, ils ont examiné les nanocubes lors d'étapes intermédiaires d'hydrogénation en utilisant une deuxième technique au microscope, appelée imagerie à fond noir, qui repose sur des électrons diffusés. Afin de suspendre le processus d'hydrogénation, les chercheurs ont plongé les nanocubes dans un bain de glace d'azote liquide à mi-réaction, abaissant leur température à 100 degrés Kelvin (-280 F). Ces images en fond noir ont permis de vérifier que l'application du faisceau d'électrons n'avait pas influencé les observations précédentes et ont permis aux chercheurs de voir des changements structurels détaillés au cours de la réaction.

"Avec une expérience moyenne d'environ 24 heures à cette basse température, nous avons été confrontés à de nombreux problèmes d'instruments et avons appelé Ai Leen Koh [co-auteur et chercheur aux Nano Shared Facilities de Stanford] aux heures les plus étranges de la nuit, " se souvient Fariah Hayee, co-auteur principal de l'étude et étudiant diplômé au laboratoire Dionne. « Nous avons même rencontré un problème de « fantôme du joystick », ' où le joystick a semblé déplacer l'échantillon de manière incontrôlable pendant un certain temps."

Alors que la plupart des microscopes électroniques fonctionnent avec l'échantillon maintenu sous vide, le microscope utilisé pour cette recherche a la capacité avancée de permettre aux chercheurs d'introduire des liquides ou des gaz dans leur échantillon.

"Nous bénéficions énormément d'avoir accès à l'une des meilleures installations de microscope au monde, " dit Tarun Narayan, co-auteur principal de cette étude et récent doctorant du laboratoire Dionne. « Sans ces outils spécifiques, nous ne serions pas en mesure d'introduire de l'hydrogène gazeux ou de refroidir suffisamment nos échantillons pour voir ces processus se dérouler. »

Repousser les imperfections

En plus d'être une preuve de concept largement applicable pour cette suite de techniques de visualisation, regarder les atomes bouger fournit une validation plus grande des grands espoirs que de nombreux scientifiques ont pour les technologies de stockage d'énergie à base de nanoparticules.

Les chercheurs ont vu les atomes se déplacer à travers les coins du nanocube et ont observé la formation de diverses imperfections au sein de la particule à mesure que l'hydrogène se déplaçait à l'intérieur. Cela ressemble à un argument contre la promesse des nanoparticules, mais c'est parce que ce n'est pas toute l'histoire.

"La nanoparticule a la capacité de s'auto-guérir, " dit Dionne. " Quand vous introduisez l'hydrogène pour la première fois, la particule se déforme et perd sa parfaite cristallinité. Mais une fois que la particule a absorbé autant d'hydrogène que possible, il se transforme à nouveau en un cristal parfait."

Les chercheurs décrivent cela comme des imperfections "expulsées" de la nanoparticule. Cette capacité du nanocube à s'auto-guérir le rend plus durable, une propriété clé nécessaire pour les matériaux de stockage d'énergie qui peuvent supporter de nombreux cycles de charge et de décharge.

Regarder vers l'avenir

À mesure que l'efficacité de la production d'énergie renouvelable augmente, le besoin d'un stockage d'énergie de meilleure qualité est plus pressant que jamais. Il est probable que l'avenir du stockage reposera sur de nouvelles chimies et les résultats de cette recherche, y compris les techniques de microscopie que les chercheurs ont affinées en cours de route, s'appliquera à presque toutes les solutions de ces catégories.

Pour sa part, le laboratoire Dionne a de nombreuses directions qu'il peut emprunter à partir d'ici. L'équipe pourrait examiner une variété de compositions de matériaux, ou comparer comment la taille et la forme des nanoparticules affectent leur fonctionnement, et, bientôt, profiter des nouvelles améliorations apportées à leur microscope pour étudier les réactions induites par la lumière. Maintenant, Hayee est passé à l'expérimentation de nanotiges, qui ont plus de surface pour les ions à traverser, promettant une cinétique potentiellement encore plus rapide.