九州大学、日立制作所、明石工业高等专门学校、大阪大学组成的共同研究团队，开发出了能将金属纳米粒子电荷量精确测量到1个电子的全新电子显微镜法。通过融合最先进的电子显微镜技术与信息科学手法，成功将电子全息的相位测量精度提高了一个数量级。研究团队实际测量了附着在氧化钛上的铂纳米粒子，并在全球首次明确，根据接合界面的状态和铂晶体的应变情况，能够带正负不同的电荷，并且电荷量也会发生变化。九州大学的麻生亮太郎副教授表示“今后将实现在反应气体环境下及高温区域等实际反应环境下的测量，加速开发解决地球环境问题的催化剂”。该成果已被刊登在Science上。
铂纳米粒子催化剂所显示的电位分布：首次观察到了催化剂纳米粒子附近（试样外）的电位分布。通过将电子全息相位的测量精度提高1个数量级，首次观察到了铂纳米粒子催化剂的电位空间分布，同时成功做到了“以1个电子的精度来计数”的催化剂纳米粒子的电荷量测量（供图：九州大学村上研究室）
高性能、长寿命的催化剂与碳中和、提升生产性等息息相关，因此全世界的研究人员都在致力于研发。特别是金属纳米粒子催化剂，被广泛应用于汽车及工厂等的排气净化、石油精制、化学品制造、燃料电池电极催化剂等多个方面，是一个重要的开发对象。
影响金属纳米粒子催化剂特性的因素有金属纳米粒子的种类及形状、载体的种类及形状、金属纳米粒子及载体的电荷转移等等。其中，阐明有助于催化剂反应的电荷状态，是高性能催化剂开发环节中不可缺少的要素。
例如，如果知道附着在氧化钛上的铂纳米粒子的电位分布，就便于理解催化剂表面上产生的化学反应的基本过程，但由于铂纳米粒子的带电量小，所以难以测量，至今为止， 有关“铂纳米粒子是带正电还是带负电”这样的最基本信息都存在不同的报告。
透射电子显微镜法之一的电子全息术，能够通过测量透过试样的电子波的相位变化，明确局部区域的电场及磁场分布，但想要测量纳米粒子微弱的电位分布、带电情况等，就必须将测量精度提高一个数量级。
九州大学大学院工学研究院麻生亮太郎副教授、村上恭和教授等的研究团队、日立制作所谷垣俊明主任研究员、品田博之技术顾问等的研究团队、明石工业高等专门学校专攻科中西宽教授、大阪大学大学院信息科学研究科御堂义博特任副教授、九州大学大学院综合理工研究院永长久宽教授、北条元副教授等组成的联合研究团队，通过开发涉及信息科学、数据科学的3个要素技术，实现了比以往高出1位数的相位测量精度。
首先，研究团队针对以往每次拍摄都需要进行调整的全息图，开发了自动收集技术，并实现了多个图像数据的累计平均处理。此举使数据收集量提高了100倍。其次，开发了基于深层学习的图像解析模型，能够自动从大量数据中选出必要的图像。最后，还开发了微波隐马尔可夫模型，能够区分噪声和微弱信号，从而实现了最佳去噪。
在与全息图像质密切相关的电子波并行性方面，使用了具有世界顶尖性能的九州大学1.2MV原子分辨率·全息装置，分析了附着在氧化钛上的铂纳米粒子的电荷量。
通过分析铂纳米粒子周围真空区域的电位分布，成功地以1个电子的精度测量了每个纳米粒子的电荷量，并明确了纳米颗粒带负电或带正电的状况。另外，由于可以同时分析原子水平的结构，还发现电荷量会随着晶体的应变而变化。
村上教授表示“当不同物质接触时，将电子从物质中拉出的功函数大小会决定电子移动的目的地。在本次实验中，我们实际测出，铂和氧化钛的结晶朝向会改变功函数的大小，还测量发现所带电荷量的多少以及是带正电还是带负电也由朝向决定”。
谷垣主任研究员表示“现在因为需要累计计算多个图像，所以拍摄要花费几分钟时间，为了观测催化剂反应本身，我们希望几年后能做到在皮秒水平的拍摄”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Science
论文：Direct identification of the charge state in a single platinum nanoparticle on titanium oxide
DOI：10.1126/science.abq5868
