当Michal Vadai的实验第一次成功时，她从座位上跳了起来。瓦达伊是斯坦福大学的博士后研究员。他花了几个月的时间设计并排除了一种新工具的故障，这种工具可以极大地扩展斯坦福纳米共享设施中先进显微镜的功能。尽管显微镜学家持怀疑态度，但她和她的研究人员正在尝试将光学显微镜和透射电子显微镜结合起来，如果成功，将揭示单个粒子正在进行光活化反应。

“我不能强调第一次让它工作是多么令人兴奋。这是一个巨大的技术挑战，”材料科学与工程副教授Jennifer Dionne的实验室Vadai说。“刚开始实验结果的时候，我们大声喊。我们可以通过光看到并控制纳米粒子的出现，这是非常令人兴奋的。”这项研究发表在11月7日的《自然通讯》上，主要关注光催化反应，其中可见光的能量引发钯纳米立方体中的化学反应。这些立方体每边大约30纳米，大约是感冒病毒的大小。科学家对基于大量纳米粒子的光催化有很多了解，但新技术允许研究人员研究单个纳米粒子中发生的事情。除了光催化，这项技术有一天可以用于研究几乎任何光和物质之间的相互作用，分辨率约为2纳米，甚至是活细胞中的光和物质。

小心纳米立方体

透射电子显微镜通过薄片材料束缚电子来形成图像。这个过程揭示了复杂细节的结构，但它不允许科学家观察在不同光条件下发生变化的材料，例如眼睛中的光感受器，太阳能电池中使用的材料，或者在这种情况下，用于催化的钯纳米立方体。新的设置融合了电子显微镜的分辨率和光学显微镜的颜色。“这篇论文最伟大的成就之一就是技术本身，”Dionne说。“我们给电子显微镜带来各种‘颜色’的光。我们的测量是直接的——当它在纳米粒子内部展开时，可以清楚地看到光化学反应。”

这项新技术包括定制设计的样品架，样品架上安装有样品。周围的反射镜用来聚焦两根光纤发出的光，电子束有间隙。整个设计必须适合非常有限的空间：显微镜内有5 mm的间隙。为了测试该装置，研究人员向样品室中注入了氢气。通过电子显微镜观察，他们可以确认钯纳米立方体在充满氢气时会发生相变。实验的结构使得纳米立方体保持在这种充满氢气的状态，直到研究人员打开灯。一旦被照亮，他们将看到水一样的波优雅地流过粒子——氢离开钯。这是基于光的反应，通过电子显微镜可以看到，是值得追求的幸福成功。

个体差异

纳米粒子经常被大量生产和研究，这意味着我们知道它们的大小、形状或位置不同——但我们对这些变化如何影响性能知之甚少。如果你真的想了解正在发生的基本物理现象，你需要观察单个粒子，因为我们知道个体差异很重要。这就像一个谜。你得好好看看一个能解决这个问题的线索。“最初的实验主要是为了证明这项技术的可行性，但它仍然揭示了纳米立方体的新内容。首先，光照下的反应比黑暗下快10倍。研究人员还可以看到反应的每一步——氢离开纳米立方体，纳米立方体的重新排列的晶格结构——是如何受到不同波长的光的影响的。事实证明，最靠近光吸收区域的纳米立方体的角落——在这种情况下，附近的金板——是最活跃的。了解它是如何发生的以及为什么会发生，可以导致基于催化剂几何形状的产物选择性反应。

随着概念验证的成功，实验室将继续下一步。例如，研究人员的目标是增加他们的光谱能力，这意味着他们可以评估这些反应产生的光，以便更详细地分析化学反应。“如果你在谈论单个粒子，你通常必须努力看到这些微弱的信号，”瓦达伊说。“展望未来，这将是一套完整的工具，可以用来在单个粒子水平上以非常高的分辨率实时研究纳米级光和物质之间的相互作用。”这篇论文的合著者是斯坦福大学的丹尼尔安格尔(Daniel K. Angell)、法利亚哈伊(Fariah Hayee)和凯瑟琳西特乌(Katherine Sytwu)。Dionne还是Precourt能源研究所下属的斯坦福Bio-X的成员，也是斯坦福大学Wuzi神经科学研究所的成员。这项研究由SLAC国家加速器实验室的Chi-Chang Kao、斯坦福大学的TomKat可持续能源中心、Gabilan斯坦福奖学金和国家科学基金会的博士后奖学金资助。