Que voyez-vous dans l'image ci-dessus? Simplement une image tridimensionnelle dessinée avec précision de nanoparticules ? Bien plus que cela, diront les nanotechnologues, grâce à une nouvelle étude publiée dans la revue Science . Qu'un matériau catalyse des réactions chimiques ou empêche une réponse moléculaire dépend de la manière dont ses atomes sont disposés. L'objectif ultime de la nanotechnologie est centré sur la capacité de concevoir et de construire des matériaux atome par atome, permettant ainsi aux scientifiques de contrôler leurs propriétés dans n'importe quel scénario donné. Cependant, les techniques d'imagerie atomique n'ont pas été suffisantes pour déterminer les arrangements atomiques tridimensionnels précis des matériaux en solution liquide, qui dirait aux scientifiques comment les matériaux se comportent dans la vie de tous les jours, comme dans l'eau ou le plasma sanguin.

Les chercheurs du Centre de recherche sur les nanoparticules au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), en collaboration avec le Dr Hans Elmlund du Biomedicine Discovery Institute de l'Université Monash en Australie et le Dr Peter Ercius de la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis, ont rapporté une nouvelle méthodologie analytique qui peut résoudre la structure 3-D de nanoparticules individuelles avec une résolution au niveau atomique. Les positions atomiques 3D des nanoparticules individuelles peuvent être extraites avec une précision de 0,02 nm, soit six fois plus petite que le plus petit atome :l'hydrogène. En d'autres termes, cette méthode à haute résolution détecte des atomes individuels et comment ils sont disposés dans une nanoparticule.

Les chercheurs appellent leur développement 3-D SINGLE (Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid cell Electron microscopy) et utilisent des algorithmes mathématiques pour dériver des structures 3-D à partir d'un ensemble de données d'imagerie 2-D acquises par l'un des microscopes les plus puissants sur Terre. . D'abord, une solution de nanocristaux est prise en sandwich entre deux feuilles de graphène qui n'ont chacune qu'un seul atome d'épaisseur. « Si un bocal à poissons était fait d'un matériau épais, il serait difficile de voir à travers. Le graphène étant le matériau le plus fin et le plus résistant au monde, nous avons créé des poches de graphène qui permettent au faisceau d'électrons du microscope de briller à travers le matériau tout en scellant simultanément l'échantillon liquide, " explique Park Jungwon, l'un des auteurs correspondants de l'étude (professeur assistant à l'École de génie chimique et biologique de l'Université nationale de Séoul).

Les chercheurs obtiennent des films à 400 images par seconde de chaque nanoparticule en rotation libre dans un liquide à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) à haute résolution. L'équipe applique ensuite sa méthodologie de reconstruction pour combiner les images 2D en une carte 3D montrant l'arrangement atomique. La localisation précise de la position de chaque atome indique aux chercheurs comment la nanoparticule a été créée et comment elle interagira dans les réactions chimiques.

L'étude a défini les structures atomiques de huit nanoparticules de platine - le platine est le plus précieux des métaux précieux, utilisé dans un certain nombre d'applications telles que les matériaux catalytiques pour le stockage d'énergie dans les piles à combustible et le raffinage du pétrole. Même si toutes les particules ont été synthétisées dans le même lot, ils présentaient des différences importantes dans leurs structures atomiques qui affectent leurs performances.

"Maintenant, il est possible de déterminer expérimentalement les structures 3D précises de nanomatériaux qui n'avaient été que théoriquement spéculées. La méthodologie que nous avons développée contribuera aux domaines où les nanomatériaux sont utilisés, comme les piles à combustible, véhicules à hydrogène, et la synthèse pétrochimique, " dit le Dr Kim Byung Hyo, le premier auteur de l'étude. Notamment, cette méthodologie peut mesurer le déplacement atomique et la contrainte sur les atomes de surface de nanoparticules individuelles. L'analyse des déformations à partir de la reconstruction 3D facilite la caractérisation des sites actifs des nanocatalyseurs à l'échelle atomique, qui permettra à la conception basée sur la structure d'améliorer les activités catalytiques. La méthodologie peut également contribuer plus généralement à l'amélioration des performances des nanomatériaux.

"Nous avons développé une méthodologie révolutionnaire pour déterminer les structures qui régissent les propriétés physiques et chimiques des nanoparticules au niveau atomique dans leur environnement natif. La méthodologie fournira des indices importants dans la synthèse des nanomatériaux. L'algorithme que nous avons introduit est lié à un nouveau médicament. développement par analyse de structure de protéines et analyse de big data, nous attendons donc d'autres applications à de nouvelles recherches sur la convergence, " note le directeur Hyeon Taeghwan du Centre IBS pour la recherche sur les nanoparticules.