科学家检测纳米尺度的净电荷，日立仪器助大攻

来自日本的研究人员现在已经计算出了单个铂金纳米粒子中的额外的，或者说是缺失的电荷，其直径仅为普通病毒的十分之一。这种仔细检查金属纳米粒子上净电荷变化的新方法将有助于进一步了解和开发将温室气体和其他危险气体转化为燃料和良性气体的催化剂，或有效生产农业肥料所需的氨。

围绕着所示的铂金纳米粒子的超高灵敏度和精确的电子全息测量，使科学家们首次能够以仅一个电子的精度计算单个催化剂纳米粒子中的净电荷。资料来源：九州大学Murakami实验室

由九州大学和日立公司领导的研究小组通过改进硬件和软件，使一种被称为电子全息的技术的灵敏度提高了10倍，完成了这一非凡的计数创举。

透射电子显微镜采用电子束在原子水平上观察材料，而电子全息术则利用电子的波状特性探测电场和磁场。当一个电子与一个场相互作用时，它的波会产生一个相移，可以通过与一个未受影响的电子的参考波进行比较来识别它。

在新的工作中，研究人员将他们的显微镜集中在氧化钛表面的单个铂金纳米颗粒上，这种材料的组合已经被认为可以作为催化剂并加快化学反应的速度。

自1966年以来，日立公司一直在开发全息电子显微镜，作为直接观察极小区域的电场和磁场的仪器。2014年，在日本政府赞助的国家项目"世界领先科技创新研发资助计划"（"FIRST计划"）的资助下，开发了一台1.2兆伏的原子分辨率全息电子显微镜。资料来源：日立公司。

平均而言，铂金纳米粒子的直径只有10纳米--如此之小，需要近10万个才能跨越一毫米，虽然每个粒子包含几万个铂原子，但仅仅增加或减少一个或两个带负电的电子就会使材料作为催化剂的行为发生重大变化。在没有空气的环境中测量铂金纳米粒子周围的场--它的变化取决于粒子中正负电荷的不平衡，研究人员可以确定产生这些场的额外或缺失的电子数量。

在纳米粒子中相互平衡的数百万个带正电的质子和带负电的电子中，如果质子和电子的数量只相差一个，现在都已经可以成功地分辨出来。

这项新研究强调了直接计算催化剂纳米粒子中电荷的重要性。例如，在氧化钛表面的铂金纳米粒子中，通过电子全息术中开发的降噪过程对电势分布的可视化显示，纳米粒子的负电荷只有六个额外的电子。这是第一次以一个电子电荷的精度来计算每个催化剂纳米粒子的电荷。资料来源：九州大学Murakami实验室

尽管用以前的方法观察到的电场太弱，但研究人员通过使用日立公司开发和操作的最先进的1.2兆伏原子分辨率全息显微镜提高了灵敏度，该显微镜可以减少机械和电气噪声，然后处理数据以进一步从噪声中找出信号。

该论文的共同作者之一、大阪大学的Yoshihiro Midoh开发的信号处理技术利用所谓的小波隐马尔可夫模型（WHMM）来减少噪音，同时也不去除感兴趣的极弱信号。

除了识别单个纳米粒子的电荷状态外，研究人员还能够将电子数量的差异（从一个到六个不等）与纳米粒子的晶体结构差异联系起来。

虽然以前通过对许多颗粒的大面积测量取平均值来报告每面积的电子数，但这是科学家第一次能够测量单个颗粒中的单个电子差异。

"通过结合显微镜硬件和信号处理方面的突破，我们能够在越来越小的层面上研究这种现象，"九州大学工程学院教授和九州大学团队的主管Yasukazu Murakami评论道。

"在这个首次演示中，我们在真空中测量了单个纳米粒子上的电荷。在未来，我们希望能够克服目前阻碍我们在气体存在下进行同样测量的挑战，以便在更接近实际应用的环境中获得信息。"