p Em um laboratório 18 pés abaixo do Quad de Engenharia da Universidade de Stanford, os pesquisadores do laboratório Dionne acamparam com um dos microscópios mais avançados do mundo para capturar uma reação inimaginavelmente pequena. p Os membros do laboratório realizaram experimentos árduos - às vezes exigindo 30 horas contínuas de trabalho - para capturar em tempo real, visualizações dinâmicas de átomos que um dia poderiam ajudar nossas baterias de telefone a durar mais e nossos veículos elétricos irem mais longe com uma única carga.

p Trabalhando no subsolo nos laboratórios em túneis, eles registraram átomos entrando e saindo de nanopartículas com menos de 100 nanômetros de tamanho, com uma resolução próxima de 1 nanômetro.

p "A capacidade de visualizar diretamente as reações em tempo real com alta resolução nos permitirá explorar muitas questões não respondidas nas ciências físicas e químicas, "disse Jen Dionne, professor associado de ciência e engenharia de materiais em Stanford e autor sênior do artigo que detalha este trabalho, publicado em 16 de janeiro em Nature Communications . "Embora os experimentos não sejam fáceis, eles não seriam possíveis sem os avanços notáveis ​​em microscopia eletrônica da última década. "

p Seus experimentos focaram no hidrogênio movendo-se para o paládio, uma classe de reações conhecida como transição de fase orientada por intercalação. Essa reação é fisicamente análoga a como os íons fluem através de uma bateria ou célula de combustível durante o carregamento e o descarregamento. A observação desse processo em tempo real fornece uma visão sobre por que as nanopartículas são melhores eletrodos do que materiais a granel e se encaixa no interesse maior de Dionne em dispositivos de armazenamento de energia que podem carregar mais rápido, retém mais energia e evita o fracasso permanente.

p Complexidade técnica e fantasmas

p Para esses experimentos, o laboratório Dionne criou nanocubos de paládio, uma forma de nanopartícula, que variava em tamanho de cerca de 15 a 80 nanômetros, e então os colocou em um ambiente de gás hidrogênio dentro de um microscópio eletrônico. Os pesquisadores sabiam que o hidrogênio mudaria tanto as dimensões da rede quanto as propriedades eletrônicas da nanopartícula. Eles pensaram que, com a lente de microscópio e configuração de abertura adequadas, técnicas chamadas microscopia eletrônica de transmissão de varredura e espectroscopia de perda de energia eletrônica podem mostrar a absorção de hidrogênio em tempo real.

p Após meses de tentativa e erro, os resultados foram extremamente detalhados, vídeos em tempo real das mudanças na partícula à medida que o hidrogênio foi introduzido. Todo o processo foi tão complicado e novo que da primeira vez funcionou, o laboratório nem tinha o software de vídeo em execução, levando-os a capturar seu primeiro sucesso de filme em um smartphone.

p Seguindo esses vídeos, eles examinaram os nanocubos durante estágios intermediários de hidrogenação usando uma segunda técnica no microscópio, chamado de imagem de campo escuro, que depende de elétrons espalhados. Para interromper o processo de hidrogenação, os pesquisadores mergulharam os nanocubos em um banho de gelo de nitrogênio líquido no meio da reação, diminuindo sua temperatura para 100 graus Kelvin (-280 F). Essas imagens de campo escuro serviram como uma forma de verificar se a aplicação do feixe de elétrons não influenciou as observações anteriores e permitiu aos pesquisadores ver mudanças estruturais detalhadas durante a reação.

p "Com a experiência média abrangendo cerca de 24 horas a esta baixa temperatura, enfrentamos muitos problemas com instrumentos e ligamos para Ai Leen Koh [co-autora e cientista pesquisadora da Nano Shared Facilities de Stanford] nas horas mais estranhas da noite, "lembrou Fariah Hayee, co-autor principal do estudo e aluno de pós-graduação no laboratório Dionne. "Nós até encontramos um problema de 'fantasma do joystick, 'onde o joystick parecia mover a amostra incontrolavelmente por algum tempo. "

p Enquanto a maioria dos microscópios eletrônicos operam com a amostra mantida no vácuo, o microscópio usado para essa pesquisa tem a capacidade avançada de permitir que os pesquisadores introduzam líquidos ou gases em sua amostra.

p "Nós nos beneficiamos enormemente de ter acesso a uma das melhores instalações de microscópio do mundo, "disse Tarun Narayan, co-autor principal deste estudo e recém-graduado com doutorado no laboratório Dionne. "Sem essas ferramentas específicas, não seríamos capazes de introduzir gás hidrogênio ou resfriar nossas amostras o suficiente para ver esses processos ocorrerem. "

p Empurrando imperfeições

p Além de ser uma prova de conceito amplamente aplicável para este conjunto de técnicas de visualização, observar o movimento dos átomos fornece uma validação maior para as grandes esperanças que muitos cientistas têm em relação às tecnologias de armazenamento de energia de nanopartículas.

p Os pesquisadores viram os átomos se moverem pelos cantos do nanocubo e observaram a formação de várias imperfeições dentro da partícula conforme o hidrogênio se movia dentro dela. Isso soa como um argumento contra a promessa das nanopartículas, mas isso é porque não é toda a história.

p "A nanopartícula tem a capacidade de autocura, "disse Dionne." Quando você introduz o hidrogênio pela primeira vez, a partícula se deforma e perde sua cristalinidade perfeita. Mas uma vez que a partícula absorveu tanto hidrogênio quanto pode, ele se transforma novamente em um cristal perfeito. "

p Os pesquisadores descrevem isso como imperfeições sendo "empurradas" para fora da nanopartícula. Essa capacidade do nanocubo de autocura o torna mais durável, uma propriedade chave necessária para materiais de armazenamento de energia que podem sustentar muitos ciclos de carga e descarga.

p Olhando para o futuro

p À medida que a eficiência da geração de energia renovável aumenta, a necessidade de armazenamento de energia de maior qualidade é mais urgente do que nunca. É provável que o futuro do armazenamento dependa de novos produtos químicos e das descobertas desta pesquisa, incluindo as técnicas de microscopia que os pesquisadores aprimoraram ao longo do caminho, se aplicará a quase qualquer solução nessas categorias.

p Por sua vez, o laboratório Dionne tem muitas direções que pode seguir daqui. A equipe pode analisar uma variedade de composições de materiais, ou compare como os tamanhos e formas das nanopartículas afetam a maneira como funcionam, e, breve, aproveite as novas atualizações de seu microscópio para estudar as reações impulsionadas pela luz. Atualmente, Hayee passou a experimentar com nanorods, que têm mais área de superfície para os íons se moverem, prometendo uma cinética potencialmente ainda mais rápida.