纳米粒子3D图像有助研发突破性燃料电池、氢能催化剂

自从1930年代发明电子显微镜以来，它已帮助科学家深入观察普通材料（如钢，甚至是稀有的石墨烯）的原子结构，但是，尽管取得了这些进步，这种成像技术仍无法精确地搭建出液体溶液中材料（例如氢燃料电池中的催化剂或汽车电池中的电解质）的3D原子结构。

现在，伯克利实验室的研究人员与韩国基础科学研究所（Institue for Basic Science，IBS）、澳洲蒙纳什大学（Monash University）和加州大学伯克利分校合作，开发了一种技术，可为石墨烯薄片（可能是最薄的材料）之间液体中翻滚的纳米粒子产生原子级3D图像。他们的发现于4月3日发布在《科学》期刊上。

“这是一个令人兴奋的研究成果。我们现在可以在三维空间里测量原子位置，可精准到比氢（最小的原子）小6倍的程度。”该研究共同作者伯克利实验室分子工厂（Molecular Foundry）科学家Peter Ercius表示。

这个称之为3D SINGLE（Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid cell Electron microscopy，通过石墨烯液体细胞电子显微镜之纳米粒子结构鉴定）的技术，该技术使用位于伯克利实验室分子工厂中世界上最强大的显微镜之一。研究人员捕获了数千张被“困”在两片石墨烯薄片（称之为“石墨烯入口窗口”）之间液体中8颗铂纳米粒子的图像。

这些石墨烯片（每片仅一个原子厚）强韧到足以容纳些许的液体，这是获取纳米粒子原子排列之高品质图像所需要的，Ercius解释表示。然后，研究人员调整了最初用于生物学研究的计算机算法，将许多2D图像组合成原子级分辨率的3D图像。该成就是对2015年首次报道之一项技术的改进，对研究人员而言是一个重大的里程碑。“通过3D SINGLE，我们可以确定为什么在燃料电池和氢能汽车中，如此小的纳米粒子会是比更大粒子更有效的催化剂，”Ercius指出。