Появилась возможность визуализации поверхности наночастиц с высоким разрешением

Появилась возможность визуализации поверхности наночастиц с высоким разрешением

Используя сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), можно получить чрезвычайно высокое разрешение изображения покрытых молекулами поверхностных структур наночастиц серебра, вплоть до распознавания отдельных частей молекул, защищающих поверхность. Это стало результатом совместных исследований Китая и Финляндии, проведенных в Финляндии профессором академии Ханну Хаккиненом из Университета Ювяскюля. Исследование было недавно опубликовано в Nature Communications.

Изучение поверхностных структур наночастиц с атомарным разрешением имеет важное значение для понимания химических свойств их структур, молекулярных взаимодействий и функционирования частиц в разных средах. Экспериментальные исследования поверхностных структур уже давно включают методы визуализации, подходящие для нанометрового разрешения, наиболее распространенные из которых основаны на туннелировании электронов, вышеупомянутой сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), основанной на измерении малых атомных сил.

Тем не менее, достижение молекулярного разрешения в изображении оказалось весьма сложной задачей, например, потому, что кривизна изображаемого объекта – поверхности наночастицы, имеет ту же степень, что и кривизна сканирующего наконечника. Измерения также чувствительны к возмущениям окружающей среды, которые могут влиять на тепловое движение молекул.

Слева: СТМ-изображение наночастицы серебра с высоким разрешением из 374 атомов серебра, покрытых 113 молекулами TBBT. Справа: смоделированное STM-изображение с одной ориентации частицы. Центр: атомная структура частицы. Фото: Academy of Finland

Исследователи использовали наночастицы серебра, с известной атомной структурой. В металлическом ядре частицы имеют 374 атомов серебра и их поверхность защищена набором из 113 TBTT молекул. TBBT (трет-бутил-бензол тиол) – молекула с тремя отдельными углеродными группами на конце. Внешняя поверхность частицы имеет в общей сложности 339 таких групп. Когда в эксперименте СТМ этот тип наночастиц отображался при низких температурах, в туннельном токе наблюдались четкие последовательные модуляции (см. левую часть изображения). Аналогичные модуляции были отмечены при изображении отдельных молекул TBBT на плоской поверхности.

Основываясь на теории функционала плотности (англ. density functional theory, DFT), моделирование, проведенное исследовательской группой Хаккинена, показало, что каждая из трех углеродных групп молекулы TBBT обеспечивает свой собственный максимум тока в СТМ-изображении (см. правую часть изображения) и что расстояния между максимумами соответствуют результатам измерения СТМ. Это подтвердило успешность измерений на субмолекулярном уровне. Моделирование также предсказало, что точное измерение СТМ не может быть успешным при комнатной температуре, так как тепловое движение молекул настолько велико, что текущие максимумы отдельных групп углерода смешаны с фоном.

“Это первый случай, когда СТМ-визуализация поверхностных структур наночастиц смогла “увидеть” отдельные части молекул. Наша работа была важна для проверки экспериментальных результатов. Однако мы хотели сделать еще один шаг вперед. Поскольку атомная структура частиц хорошо известна, у нас были основания спросить, можно ли определить точную ориентацию изображенной частицы с помощью моделирования”, – говорит Хаккинен, описывая исследование.

С этой целью группа Хаккинена вычислила смоделированное СТМ-изображение частицы серебра из 1665 различных ориентаций и разработала алгоритм распознавания образов, чтобы определить, какие смоделированные изображения лучше всего соответствуют экспериментальным данным.

“Мы считаем, что наша работа демонстрирует новую полезную стратегию для визуализации наноструктур. В будущем, алгоритмы распознавания образов и искусственного интеллекта на основе машинного обучения станут незаменимыми для интерпретации изображений наноструктур. Наша работа представляет собой первый шаг в этом направлении. Вот почему мы также решили открыто распространять разработанное нами программное обеспечение для распознавания образов среди других исследователей”, – говорит Хаккинен.

Источник: phys.org

Фото: Promega Connections