Daugelio skambių technologinių proveržių kompiuterijoje, komunikacijos, energijos ar biologijos srityse pagrindas buvo labai smulkios medžiagos, nanodalelės, kurių dydis nesiekė nė vienos tūkstantosios popieriaus lapo storio. Tačiau nustatyti geriausių savybių nanomedžiagas gali būti sudėtinga, nes nanodalelių stebėjimui tokiose dinamiškose aplinkose būtina aukšta erdvinė skyra.
Tačiau Stanfordo universiteto (JAV) inžinierių komanda pirmąkart pažvelgė į fazes keičiančias nanodaleles taip, jog pavyko atskleisti, kaip labai jų forma ir kristališkumas – atomų išsidėstymas kristalo viduje – įtakoja jų savybes.
Mokslininkų darbas, publikuotas prestižiniame žurnale „Nature Materials“, gali būti iš karto pritaikomas kuriant energijos kaupiklius sudarančias medžiagas, be to, visai tikėtina, jog praverstų ir konstruojant duomenų kaupiklius, elektroninius perjungiklius ir apskritai bet kokius prietaisus, kuriose medžiagos fazinis virsmas turi įtakos šios našumui.
Pavyzdžiui, ličio jonų baterijos gebėjimas pakartotinai kaupti ir atiduoti energiją priklauso nuo elektrodo gebėjimo atlaikyti dideles deformacijas neprarandant savo savybių, kuomet kartojamas įkrovimo ir iškrovimo ciklas. Visai neseniai mokslininkams pavyko padidinti šio proceso našumą sumažinant elektrodus iki nanomastelio. Nors nanodalelės užtikrina spartesnį įkrovimą, didesnę talpą ir pailgina naudojimo trukmę, nėra tiksliai aišku, kurios formos, dydžio ir kristališkumo nanodalelės yra tinkamiausios. Būtent šis neatsakytas klausimas pastūmėjo Stanfordo universiteto inžinierius imtis tyrimų.
Apskritai paėmus, sunku pasakyti, ar tam tikro nanodalelių rinkinio elgesys yra atskirų individų, veikiančių panašiai, rezultatas, ar labiau itin našių ir itin nenašių individų vidurkis. Medžiagų mokslo ir inžinerijos docentė Dženifer Dion (Jennifer Dionne) kartu su savo komanda tyrinėja atskirų dalelių elgesį, kad atrastų ryšį tarp šių sandaros ir veikimo – svarbaus aspekto, galinčio parodyti artimiausią kelią naujos kartos energijos kaupikliams tinkamų medžiagų link.
Atlikdami eksperimentą, mokslininkai tyrė, kaip paladžio nanodalelių formos ir kristališkumo keitimas paveikia jų gebėjimą sugerti ir atiduoti vandenilio atomus. Toks procesas labai panašus į ličio jonų baterijose vykstantį įkrovimo ir iškrovimo ciklą. Tyrėjai paruošė kubinės, piramidiškos ir ikosaedrinės formos nanodaleles ir sugalvojo naujovišką atvaizdavimo metodą, leidžiantį pažvelgti į nanodalelių vidų ir nustatyti vandenilio buvimo vietą esant įvairiam vandenilio slėgiui.
Sugalvotojo metodo pagrindas yra aplinkos elektroninis peršvietimo mikroskopas, leidžiantis įžiūrėti tikslų vandenilio pasiskirstymą nanodalelėje itin aukšta raiška.
„Šis unikalus instrumentas leidžia tyrinėti medžiagas jų funkcionavimo aplinkoje“, – tvirtina mokslininkai.
Minėtasis mikroskopas gali analizuoti nanodaleles taikant skirtingas technikas, pavyzdžiui, tiesioginį atvaizdavimą, difrakciją arba spektroskopiją.
„Kiekviena technika suteikia skirtingos informacijos, kurią sudėjus į visumą turėsime išbaigtą, daugiamatį supratimą apie sistemą“, – tęsia pasakojimą tyrėjai.
Atlikti matavimai atskleidė, jog nanodalelės forma smarkiai įtakoja jos veikimo našumą. Pavyzdžiui, ikosaedriniu atveju stebėta mažesnė energijos sukaupimo talpa ir labiau kintanti vandenilio sugertis nei kubo ar piramidės atvejais. Didelės raiškos vaizdai rodo, kad vandenilis yra neįleidžiamas į dalelės centrą, todėl atitinkamai krenta jos našumas, o kintančią vandenilio sugertį nulemia tai, jog skirtingos dalelės vietos sugeria vandenilį esant skirtingam slėgiui – priešingai nei monokristale.
„Prieš keli metus mes net nesapnavome, jog tokie atominiai matavimai gali būti atliekami, todėl komandos nuveiktas darbas yra įspūdingas“.
„Galimybė pažvelgti į nanodalelių vidų šioms aktyviai funkcionuojant gali mums padėti sukonstruoti čempioniškų savybių medžiagas, tinkamas naujos kartos energijos kaupikliams“, – pabaigia pasakojimą mokslininkai.