ทีมวิจัยนำโดยศาสตราจารย์จองวอนพาร์คจากภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีววิทยาที่วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งชาติ SEUL ได้พัฒนาเทคนิคใหม่สำหรับการสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอะตอมในอนุภาคนาโนในสามมิติ เป็นการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน การสื่อสารธรรมชาติมันได้แก้ไขปัญหามานานซึ่งผู้ได้รับรางวัลโนเบลก่อนหน้านี้ไม่สามารถแก้ไขได้
ความสำคัญของอนุภาคนาโน
อนุภาคนาโนมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการพัฒนาวัสดุที่ใช้งานได้สำหรับอุตสาหกรรมเช่นพลังงานสิ่งแวดล้อมและการแพทย์ เนื่องจากขนาดเล็ก (1 nm = หนึ่งพันล้านเมตร) พวกเขามีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ การสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในอนุภาคนาโนเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาของพวกเขามีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับขนาด
ความท้าทายในวิธีการปัจจุบัน
วิธีการวิเคราะห์โครงสร้างนาโนปัจจุบันมีความสามารถที่ จำกัด วิธีการเหล่านี้มักจะให้ข้อมูลการระบุพื้นฐานหรือเฉลี่ยจากอนุภาคนาโนจำนวนมาก นอกจากนี้พวกเขามักจะมุ่งเน้นไปที่อนุภาคนาโนถาวรในสุญญากาศซึ่งทำให้ยากที่จะสังเกตโครงสร้างอะตอมสามมิติเมื่อเวลาผ่านไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมของเหลว
ความคืบหน้าในกล้องจุลทรรศน์: จาก krio-tere ไปจนถึง TEM ที่ราบรื่น
ในขณะที่โครงสร้างนิวเคลียร์สามมิติของโปรตีนได้รับการพิจารณาแล้ว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ Cryo-transmission (อุณหภูมิ Cryo-temperature)ความท้าทายในการสังเกตอนุภาคนาโนในการแก้ปัญหายังคงไม่ได้รับการแก้ไข ทีมศาสตราจารย์พาร์คขึ้นอยู่กับความคืบหน้านี้การพัฒนาวิธีการใหม่ที่เรียกว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเหลว (TEM ของเหลว) การใช้กราฟีนสำหรับการสร้างภาพของโครงสร้างนาโนในโซลูชันในสามมิติ งานก่อนหน้าของพวกเขาเกี่ยวกับวิธีนี้เรียกว่า เอกซ์เรย์สีน้ำตาลปรากฏบนหน้าปก ศาสตร์ ในปี 2020
เอกซ์เรย์สีน้ำตาลพร้อมความละเอียดเวลา
พัฒนาใหม่ เอกซ์เรย์สีน้ำตาลพร้อมความละเอียดเวลา เทคนิคนี้ช่วยให้การตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอะตอมในอนุภาคนาโนแต่ละอัน วิธีการที่ก้าวล้ำนี้เปิดโอกาสใหม่ในการทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาทางเคมีเปลี่ยนอนุภาคนาโนในระดับอะตอมอย่างไร
วิธีการ: การสังเกตอนุภาคนาโนที่เคลื่อนที่
การใช้เทคนิคของ “กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของเซลล์ส่งสัญญาณของเซลล์ (กราฟของเซลล์เหลว)” นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการสังเกตอนุภาคนาโนที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระในสารละลาย อนุภาคนาโนที่อยู่ภายใต้การรับส่งข้อมูลสีน้ำตาล (การจราจรแบบสุ่มในของเหลว) จะถูกบันทึกในเวลาที่มุมต่าง ๆ และภาพที่เกิดขึ้นจะถูกสร้างขึ้นใหม่ในรูปแบบสามมิติ
เปรียบเทียบกับวิธีการดั้งเดิม
วิธีนี้หมายถึงความก้าวหน้าที่สำคัญเกี่ยวกับดั้งเดิม กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเกียร์ (TEM)ซึ่งวิเคราะห์อนุภาคนาโนถาวรในสุญญากาศ นอกจากนี้ยังเป็นการปรับปรุงที่เกี่ยวข้องกับเทคนิคสเปกโทรสโกปีซึ่งให้ข้อมูลเฉลี่ยจากอนุภาคนาโนจำนวนมากเท่านั้น เป็นครั้งแรกที่เทคโนโลยีนี้ช่วยให้การวัดโดยตรงของโครงสร้างอะตอมสามมิติของอนุภาคนาโนเดี่ยวเพราะมันเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกในสภาพแวดล้อมของเหลว
การสังเกตและผลลัพธ์
ทีมใช้เทคนิคนี้เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระดับอะตอมในอนุภาคนาโนแพลตตินัม (PT) ในระหว่างกระบวนการย่อยอาหาร (การกัดกร่อนทางเคมี) พวกเขาสามารถติดตามได้ในสามมิติเมื่ออะตอมพื้นผิวถูกปรับเปลี่ยนใหม่ (ดัดแปลงอีกครั้ง) เลื่อนออกไปหรือแยกออก (desorbed) ที่น่าสนใจคือการศึกษาแสดงให้เห็นว่าระยะที่ไม่เป็นระเบียบอย่างมากปรากฏขึ้นเมื่อผลึกนาโนหดตัวเป็นประมาณ 1 นาโนเมตรซึ่งไม่คาดคิดเพราะแพลตตินัมมักจะรักษาโครงสร้างอะตอมที่ได้รับคำสั่งสูง
ผลกระทบและการวิจัยในอนาคต
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าแม้แต่อนุภาคนาโนที่ทำจากวัสดุระดับประถมศึกษาเดียวกันก็สามารถแสดงคุณสมบัติโครงสร้างที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับคู่ขนาดใหญ่ การศึกษาครั้งนี้ยังมีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในการสังเกตโครงสร้างอะตอม ในเรื่องนี้ และ การแช่แข็ง– ด้วยวิธีการใหม่นี้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามได้ว่าโครงสร้างสามมิติของวัสดุนาโนมีวิวัฒนาการอย่างไรในการตอบสนองต่อสภาพเคมีต่าง ๆ เช่นองค์ประกอบของการแก้ปัญหาปฏิกิริยาหรือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
แอปพลิเคชันและอิทธิพล
การค้นพบทำให้มั่นใจได้ว่ามีความเข้าใจที่แม่นยำยิ่งขึ้นว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างมีผลต่อการทำงานของวัสดุนาโนรุ่นใหม่อย่างไรรวมถึงโลหะเซมิคอนดักเตอร์และออกไซด์ นอกจากนี้การศึกษาทางการเงินโดย โครงการศูนย์วิจัยลำดับความสำคัญของไฮโดรเจนแห่งชาติการตรวจพบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในอนุภาคนาโนแพลตตินัมประสบความสำเร็จซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับพลังงานไฮโดรเจนที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม สิ่งนี้ปูทางไปสู่การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงในอนาคต
การพัฒนา “Brown Tomography With Time Resolution” ยังคงเป็นมรดกของรางวัลโนเบล “Cryo-TE” ที่ได้รับในปี 2560 และนวัตกรรมของเรา “TEM Liquid TEM” ตามความคุ้มครองทางวิทยาศาสตร์ เทคนิคใหม่นี้จะช่วยแก้กลไกการตอบสนองที่ซับซ้อนในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนตัวเร่งปฏิกิริยาการแปลงCO₂แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและวัสดุพลังงานขั้นสูงอื่น ๆ–
Jungwonwon Park ศาสตราจารย์และการดำเนินการวิจัยวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งชาติ Seul
ผู้เขียนหลักของการศึกษานักวิจัย Sungu Kang สังเกตเห็นว่า: “การวิจัยของเราถูกบันทึกโดยตรงโดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระดับอะตอมในระดับอะตอมในระดับอะตอมในสภาพแวดล้อมของเหลว ความสำเร็จนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากมันเห็นภาพการเคลื่อนไหวของอะตอมพื้นผิวอย่างมีประสิทธิภาพและการปรากฏตัวของเฟสใหม่ที่ไม่ซ้ำกันสำหรับปรากฏการณ์นาโนวัสดุซึ่งยากที่จะตรวจจับโดยใช้วิธีการทางสเปกโทรสโกปีหรือเคมีไฟฟ้าแบบดั้งเดิม– –
Sungsu Kang ปัจจุบันเป็นนักวิจัยย่อยที่มหาวิทยาลัยชิคาโก เขาชนะปริญญาเอก จากโรงเรียนเคมีและวิศวกรรมชีวภาพของการนอนหลับ มันยังคงให้ “เอกซ์เรย์สีน้ำตาลตามเวลา” ขยายการใช้งานไปยังวัสดุนาโนต่างๆและตรวจสอบการใช้งานที่มีศักยภาพในสภาพแวดล้อมทางเคมี
อ้างอิงถึงวารสาร:
Kang, S. , และใน– (2025) เอกซ์เรย์สีน้ำตาลที่มีความละเอียดระหว่างผลึกนาโนแต่ละตัวในของเหลวในระหว่างการย่อยออกซิเดชั่น การสื่อสารธรรมชาติ– doi.org/10.1038/S41467-025-56476-8
แหล่งที่มา:
วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งชาติ Seul