Японські вчені розробили новий метод дослідження наночастинок без їх пошкодження

Дослідницька група з Японського інституту передової науки і технологій (JAIST) досягла значного прориву в галузі вивчення наноматеріалів. Науковці розробили інноваційний метод візуалізації, який дозволяє детально досліджувати тривимірну атомну структуру наночастинок оксигідроксиду титану без ризику їх пошкодження.

Наноматеріали відіграють ключову роль у сучасних технологіях — від акумуляторів до систем чистої енергії та каталізаторів. Їхні унікальні властивості зумовлені точним розташуванням атомів у структурі. Проте традиційні методи дослідження, які використовують потужні електронні промені, часто пошкоджують чутливі зразки ще до завершення аналізу.

Новий метод, розроблений під керівництвом професора Йошіфумі Ошіми, поєднує високороздільну просвічувальну електронну мікроскопію з аналізом ґраткової кореляції на основі обробки даних. У дослідженні також брали участь старший викладач Кохей Асо, старший технічний спеціаліст Коічі Хігашіміне, колишній старший викладач Масанобу Міята з JAIST та доктор Хіроші Каміо з компанії Nippon Steel.

Головна перевага нової методики полягає в тому, що вона зменшує вплив електронного опромінення на зразки в 20−500 разів порівняно з традиційними методами. Це дозволяє отримувати високоякісні зображення без пошкодження чутливих наноматеріалів.

«Контроль кристалічної структури оксигідроксидів металів є ключовим для їх застосування, але це часто обмежується складністю аналізу цих чутливих до опромінення наноматеріалів», — пояснює старший викладач Асо. «Наш метод забезпечує безпечніший підхід до структурного аналізу, що дозволяє дослідникам ефективно розуміти та контролювати їхні властивості».

Застосувавши цей метод, дослідники зробили важливе відкриття щодо структури метатитанової кислоти (H2TiO3) — титановмісного матеріалу, який широко використовується в каталітичних та енергетичних застосуваннях. Аналіз виявив шарувату структуру, що складається з почергових шарів діоксиду титану (TiO2) та гідроксиду титану (Ti (OH)4). Ця структура виявилася дуже подібною до природного мінералу анатазу — форми діоксиду титану з особливими оптичними та електронними властивостями.

«Вражаюча структурна подібність між метатитановою кислотою та анатазом чітко пояснює, чому метатитанова кислота є широко використовуваним прекурсором для синтезу анатазної фази TiO2», — зазначає старший викладач Асо.

Це відкриття відкриває нові можливості для проєктування матеріалів з покращеними функціональними характеристиками для практичного застосування оксигідроксиду титану, наприклад, для підвищення ефективності хімічних реакцій у каталізаторах або покращення характеристик матеріалів у акумуляторах та сенсорах.

Значення цього дослідження виходить далеко за межі вивчення одного матеріалу. Багато сучасних наноматеріалів, які використовуються в передових технологіях, також чутливі до пошкодження електронним променем. Метод, розроблений в JAIST, створює основу для дослідження таких матеріалів, що сприятиме інноваціям у галузі чистої енергетики, електроніки та сталих технологій.

Дослідження також добре узгоджується зі зростаючою роллю обчислювальних методів у матеріалознавстві. Науковці передбачають, що їхній аналіз ґраткової кореляції стане важливим інструментом у майбутньому, заснованому на обробці даних, що дозволить розумніше проєктувати матеріали та розробляти високоефективні пристрої.