九州大學、日立製作所、明石工業高等專門學校、大阪大學組成的共同研究團隊，開發出了能將金屬奈米粒子電荷量精確測量到1個電子的全新電子顯微鏡法。透過融合最先進的電子顯微鏡技術與資訊科學手法，成功將電子全息的相測量精度提高了一個數規模。研究團隊實際測量了附着在氧化鈦上的鉑奈米粒子，並在全球首次明確，根據接合界面的狀態和鉑晶體的應變情況，能夠帶正負不同的電荷，並且電荷量也會發生變化。九州大學的麻生亮太郎副教授表示「今後將實施在反應氣體環境下及高溫區域等實際反應環境下的測量，加速開發解決地球環境問題的觸媒」。該成果已被刊登在Science上。
鉑奈米粒子觸媒所顯示的電位分佈：首次觀察到了觸媒奈米粒子附近（試樣外）的電位分佈。透過將電子全息相的測量精度提高1個數規模，首次觀察到了鉑奈米粒子觸媒的電位間距分佈，同時成功做到了「以1個電子的精度來計數」的觸媒奈米粒子的電荷量測量（供圖：九州大學村上研究室）
高性能、長壽命的觸媒與碳中和、提升生產性等息息相關，因此全世界的研究人員都在致力於研發。特別是金屬奈米粒子觸媒，被廣泛應用於汽車及工廠等的排氣淨化連串裝置、石油精製、化學品製造、燃料電池電極觸媒等多個方面，是一個重要的開發物件。
影響金屬奈米粒子觸媒特性的因素有金屬奈米粒子的種類及形狀、載體的種類及形狀、金屬奈米粒子及載體的電荷轉移等等。其中，闡明有助於觸媒反應的電荷狀態，是高性能觸媒開發環節中不可缺少的要素。
例如，如果知道附着在氧化鈦上的鉑奈米粒子的電位分佈，就便於理解觸媒表面上產生的化學反應的基本程序，但由於鉑奈米粒子的帶電能小，所以難以測量，至今爲止， 有關「鉑奈米粒子是帶正電還是帶負電」這樣的最基本資訊都存在不同的報告。
穿透電子顯微術法之一的電子全息術，能夠透過測量透過試樣的電子波的相變化，明確局部區域的電場及磁場分佈，但想要測量奈米粒子微弱的電位分佈、帶電情況等，就必須將測量精度提高一個數規模。
九州大學大學院工學研究院麻生亮太郎副教授、村上恭和教授等的研究團隊、日立製作所谷垣俊明主任研究員、品田博之技術顧問等的研究團隊、明石工業高等專門學校專攻科中西寬教授、大阪大學大學院資訊科學研究科御堂義博特任副教授、九州大學大學院綜合理工研究院永長久寬教授、北條元副教授等組成的聯合研究團隊，透過開發涉及資訊科學、資料科學的3個要素技術，實施了比以往高出1位數的相測量精度。
首先，研究團隊針對以往每次拍攝都需要進行調整的全息圖，開發了自動收集技術，並實施了多個影像資料的累計平均處理。此舉使資料收集量提高了100倍。其次，開發了基於深水層學習的影像解析模式，能夠自動從大量資料中選出必要的影像。最後，還開發了微波隱馬爾可夫模式，能夠區分噪音和微弱訊號，從而實施了最佳去噪。
在與全像術質密切相關的電子波並行性方面，使用了具有世界頂尖性能的九州大學1.2MV原子解析度·全息裝置，分析了附着在氧化鈦上的鉑奈米粒子的電荷量。
透過分析鉑奈米粒子周圍真空區域的電位分佈，成功地以1個電子的精度測量了每個奈米粒子的電荷量，並明確了奈米顆粒帶負電或帶正電的狀況。另外，由於可以同時分析原子水平的結構，還發現電荷量會隨着晶體的應變而變化。
村上教授表示「當不同物質接觸時，將電子從物質中拉出的功函數大小會決定電子行程的目的地。在本次實驗中，我們實際測出，鉑和氧化鈦的結晶朝向會改變功函數的大小，還測量發現所帶電荷量的多少以及是帶正電還是帶負電也由朝向決定」。
谷垣主任研究員表示「現在因爲需要累計計算多個影像，所以拍攝要花費幾分鐘時間，爲了觀測觸媒反應本身，我們希望幾年後能做到在皮秒水平的拍攝」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Science
論文：Direct identification of the charge state in a single platinum nanoparticle on titanium oxide
DOI：10.1126/science.abq5868
