來自日本的研究人員現在已經計算出了單個鉑金奈米粒子中的額外的，或者說是缺失的電荷，其直徑僅為普通病毒的十分之一。這種仔細檢查金屬奈米粒子上淨電荷變化的新方法將有助於進一步瞭解和開發將溫室氣體和其他危險氣體轉化為燃料和良性氣體的催化劑，或有效生產農業肥料所需的氨。

圍繞著所示的鉑金奈米粒子的超高靈敏度和精確的電子全息測量，使科學家們首次能夠以僅一個電子的精度計算單個催化劑奈米粒子中的淨電荷。資料來源：九州大學Murakami實驗室

由九州大學和日立公司領導的研究小組透過改進硬體和軟體，使一種被稱為電子全息的技術的靈敏度提高了10倍，完成了這一非凡的計數創舉。

透射電子顯微鏡採用電子束在原子水平上觀察材料，而電子全息術則利用電子的波狀特性探測電場和磁場。當一個電子與一個場相互作用時，它的波會產生一個相移，可以透過與一個未受影響的電子的參考波進行比較來識別它。

在新的工作中，研究人員將他們的顯微鏡集中在氧化鈦表面的單個鉑金奈米顆粒上，這種材料的組合已經被認為可以作為催化劑並加快化學反應的速度。

自1966年以來，日立公司一直在開發全息電子顯微鏡，作為直接觀察極小區域的電場和磁場的儀器。2014年，在日本政府贊助的國家專案“世界領先科技創新研發資助計劃”（“FIRST計劃”）的資助下，開發了一臺1。2兆伏的原子解析度全息電子顯微鏡。資料來源：日立公司。

平均而言，鉑金奈米粒子的直徑只有10奈米——如此之小，需要近10萬個才能跨越一毫米，雖然每個粒子包含幾萬個鉑原子，但僅僅增加或減少一個或兩個帶負電的電子就會使材料作為催化劑的行為發生重大變化。在沒有空氣的環境中測量鉑金奈米粒子周圍的場——它的變化取決於粒子中正負電荷的不平衡，研究人員可以確定產生這些場的額外或缺失的電子數量。

在奈米粒子中相互平衡的數百萬個帶正電的質子和帶負電的電子中，如果質子和電子的數量只相差一個，現在都已經可以成功地分辨出來。

這項新研究強調了直接計算催化劑奈米粒子中電荷的重要性。例如，在氧化鈦表面的鉑金奈米粒子中，透過電子全息術中開發的降噪過程對電勢分佈的視覺化顯示，奈米粒子的負電荷只有六個額外的電子。這是第一次以一個電子電荷的精度來計算每個催化劑奈米粒子的電荷。資料來源：九州大學Murakami實驗室

儘管用以前的方法觀察到的電場太弱，但研究人員透過使用日立公司開發和操作的最先進的1。2兆伏原子解析度全息顯微鏡提高了靈敏度，該顯微鏡可以減少機械和電氣噪聲，然後處理資料以進一步從噪聲中找出訊號。

該論文的共同作者之一、大阪大學的Yoshihiro Midoh開發的訊號處理技術利用所謂的小波隱馬爾可夫模型（WHMM）來減少噪音，同時也不去除感興趣的極弱訊號。

除了識別單個奈米粒子的電荷狀態外，研究人員還能夠將電子數量的差異（從一個到六個不等）與奈米粒子的晶體結構差異聯絡起來。

雖然以前透過對許多顆粒的大面積測量取平均值來報告每面積的電子數，但這是科學家第一次能夠測量單個顆粒中的單個電子差異。

“透過結合顯微鏡硬體和訊號處理方面的突破，我們能夠在越來越小的層面上研究這種現象，”九州大學工程學院教授和九州大學團隊的主管Yasukazu Murakami評論道。

“在這個首次演示中，我們在真空中測量了單個奈米粒子上的電荷。在未來，我們希望能夠克服目前阻礙我們在氣體存在下進行同樣測量的挑戰，以便在更接近實際應用的環境中獲得資訊。”