Les scientifiques ont utilisé une technique de chimie lauréate du prix Nobel sur un mélange de métaux pour potentiellement réduire le coût des piles à combustible utilisées dans les voitures électriques et réduire les émissions nocives des véhicules conventionnels.

Les chercheurs ont traduit une technique biologique, qui a remporté le prix Nobel de chimie 2017, pour révéler la chimie à l'échelle atomique dans les nanoparticules métalliques. Ces matériaux sont l'un des catalyseurs les plus efficaces pour les systèmes de conversion d'énergie tels que les piles à combustible. C'est la première fois que cette technique est utilisée pour ce genre de recherche.

Les particules ont une géométrie complexe en forme d'étoile et ce nouveau travail montre que les bords et les coins peuvent avoir des chimies différentes qui peuvent maintenant être ajustées pour réduire le coût des batteries et des convertisseurs catalytiques.

Le prix Nobel de chimie 2017 a été décerné à Joachim Frank, Richard Henderson et Jacques Dubochet pour leur rôle pionnier dans la technique de reconstruction de particules uniques. Cette technique de microscopie électronique a révélé les structures d'un grand nombre de virus et de protéines mais n'est généralement pas utilisée pour les métaux.

Maintenant, une équipe de l'Université de Manchester, en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Oxford et de l'Université Macquarie, se sont appuyés sur la technique lauréate du prix Nobel pour produire des cartes élémentaires tridimensionnelles de nanoparticules métalliques constituées de quelques milliers d'atomes seulement.

Publié dans la revue Lettres nano , leurs recherches démontrent qu'il est possible de cartographier différents éléments à l'échelle nanométrique en trois dimensions, éviter les dommages aux particules étudiées.

Les nanoparticules métalliques sont le composant principal de nombreux catalyseurs, tels que ceux utilisés pour convertir les gaz toxiques dans les pots d'échappement des voitures. Leur efficacité dépend fortement de leur structure et de leur chimie, mais en raison de leur structure incroyablement petite, des microscopes électroniques sont nécessaires pour leur fournir une image. Cependant, la plupart des images sont limitées à des projections 2D.

"Nous étudions depuis un certain temps l'utilisation de la tomographie au microscope électronique pour cartographier les distributions élémentaires en trois dimensions, " a déclaré le professeur Sarah Haigh, de l'École des matériaux, Université de Manchester. "Nous faisons généralement tourner la particule et prenons des images dans toutes les directions, comme un scanner dans un hôpital, mais ces particules s'endommageaient trop rapidement pour permettre la construction d'une image 3D. Les biologistes utilisent une approche différente pour l'imagerie 3D et nous avons décidé d'explorer si cela pouvait être utilisé avec des techniques spectroscopiques pour cartographier les différents éléments à l'intérieur des nanoparticules."

"Comme la 'reconstruction d'une seule particule', la technique fonctionne en imageant de nombreuses particules et en supposant qu'elles ont toutes une structure identique, mais disposés à des orientations différentes par rapport au faisceau d'électrons. Les images sont ensuite introduites dans un algorithme informatique qui génère une reconstruction tridimensionnelle. »

Dans la présente étude, la nouvelle méthode d'imagerie chimique 3D a été utilisée pour étudier des nanoparticules métalliques de platine-nickel (Pt-Ni).

Auteur principal, Yi-Chi Wang, également de l'École des matériaux, a ajouté :« Les nanoparticules à base de platine sont l'un des matériaux catalytiques les plus efficaces et les plus largement utilisés dans des applications telles que les piles à combustible et les batteries. Nos nouvelles connaissances sur la distribution chimique locale en 3D pourraient aider les chercheurs à concevoir de meilleurs catalyseurs à faible coût et haute efficacité."

« Nous visons à automatiser notre flux de travail de reconstruction chimique en 3D à l'avenir », a ajouté l'auteur, le Dr Thomas Slater. "Nous espérons qu'il pourra fournir une méthode rapide et fiable d'imagerie des populations de nanoparticules qui est nécessaire de toute urgence pour accélérer l'optimisation de la synthèse des nanoparticules pour de nombreuses applications, notamment la détection biomédicale, diodes électroluminescentes, et des cellules solaires."