Dionne实验室的研究人员使用世界上最先进的显微镜之一进行了预算，以捕获难以想象的小反应。实验室成员进行了艰苦的实验，以捕捉原子的实时，动态可视化，有朝一日可以帮助我们的手机电池更长时间，并且我们的电动汽车一次充电就能更远。他们记录了进出纳米粒子的原子，这些粒子的尺寸小于100纳米，分辨率接近1纳米。

“能够以如此高的分辨率实时直观地反映反应的能力将使我们能够探索化学和物理科学中许多未解答的问题，”斯坦福大学材料科学与工程副教授，论文详述的高级作者Jen Dionne说。这项工作于1月16日在Nature Communications上发表。“虽然实验并不容易，但如果没有过去十年电子显微镜的显着进步，它们将无法实现。”

他们的实验集中在氢转移到钯中，这是一类被称为插层驱动相变的反应。该反应在物理上类似于离子在充电和放电期间如何流过电池或燃料电池。实时观察这一过程可以深入了解为什么纳米粒子制造出比散装材料更好的电极，并符合Dionne对能量储存设备的更大兴趣，这些设备可以更快地充电，保持更多能量并避免永久性故障。

对于这些实验，Dionne实验室制造了一种纳米颗粒形式的钯纳米立方体，其尺寸范围为约15至80纳米，然后将它们置于电子显微镜下的氢气环境中。研究人员知道氢会改变晶格的尺寸和纳米粒子的电子特性。他们认为，通过适当的显微镜镜头和光圈配置，称为扫描透射电子显微镜和电子能量损失光谱的技术可能会实时显示氢吸收。

经过数月的反复试验，结果非常详细，引入了粒子氢变化的实时视频。整个过程非常复杂和新颖，第一次工作时，实验室甚至没有运行视频软件，导致他们在智能手机上获得他们的第一部电影成功。

在这些视频之后，他们使用显微镜中的第二种技术检查了氢化中间阶段的纳米立方体，称为暗场成像，其依赖于散射电子。为了暂停加氢过程，研究人员将纳米立方体投入液氮中间反应的冰浴中，将其温度降至100开尔文(-280华氏度)。这些暗场图像用于检查电子束的应用是否影响了先前的观察结果，并允许研究人员在反应过程中看到详细的结构变化。

“在这个低温下平均实验时间大约为24小时，我们遇到了许多仪器问题，并且在夜间最神奇的时刻称为艾斯莱恩(斯坦福纳米共享设施的共同作者和研究科学家)，”Fariah Hayee回忆道，该研究的共同主要作者和Dionne实验室的研究生。“我们甚至遇到了'操纵杆的鬼问题'，其中操纵杆似乎无法控制地移动样品一段时间。”

虽然大多数电子显微镜在真空中保持样品运行，但用于本研究的显微镜具有先进的能力，允许研究人员将液体或气体引入其标本。

“我们从获得世界上最好的显微镜设备之一中受益匪浅，”本研究的联合主编兼最近的Dionne实验室博士毕业生Tarun Narayan说。“如果没有这些特定的工具，我们将无法引入氢气或冷却我们的样品，足以看到这些过程发生。”

除了作为这套可视化技术的广泛适用的概念证明，观察原子移动为许多科学家对纳米粒子储能技术的高度期望提供了更好的验证。

研究人员看到原子通过纳米立方体的角落进入并观察到氢在其中移动时在粒子内形成各种缺陷。这听起来像反对纳米粒子的承诺，但那是因为它不是整个故事。