Onderzoek Timothy Pennycook

Abstract

De zoutgradiënten die optreden waar zoet water in zout oceaanwater stroomt, vormen een zeer grote en bijna volledig ongebruikte bron van schone, zogenaamde blauwe energie, gebaseerd op osmose. Blauwe energie blijft nog ongebruikt omdat de methoden voor het bekomen van deze energie inefficiënt zijn, meestal vanwege de slechte prestaties van de gebruikte membraanprocessen. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem is het gebruik van atomair dunne 2D-materialen met nanoporiën als membranen. Proof of principle experimenten met nanoporiën in 2D-materialen hebben osmotische vermogensdichtheden tot zes orden van grootte beter aangetoond dan conventionele membranen. Dit komt doordat de opbouw van lading rond de nanoporiën een filter creëert waarmee zoutionen met slechts één ladingsteken worden aangedreven door de chemische potentiaalgradiënt van een zout reservoir door de poriën naar een zoetwaterreservoir. Net als in een batterij, creëert de resulterende gescheiden ladingopbouw een elektrisch potentiaalverschil dat kan worden gebruikt voor elektrische stroom. Echter, om maximale energieopwekking uit blauwe energie mogelijk te maken, is een beter begrip van de nanoporiën nodig. Momenteel ontbreekt zelfs basiskennis zoals hun atoomstructuur. In dit project zullen we de atoomstructuur van nanoporiën die zijn gekarakteriseerd voor blauwe energieprestaties bepalen en methoden ontwikkelen om de ladingsdichtheid en elektrische velden op en rond de nanoporiën te onderzoeken met elektronenmicroscopie. In combinatie met de First Principles theorie zullen we de correlaties tussen prestaties van blauwe energie en de bevindingen van de microscopie-experimenten gebruiken om de fysica van osmotische energieproductie met nanoporiën in verschillende 2D-materialen te begrijpen. We zullen dus ontdekken wat nodig is om de beste nanoporie gebaseerde membranen te bekomen, waardoor de ontwikkeling van nanoporiën met optimale blauwe energieprestaties wordt vergemakkelijkt.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Pennycook Timothy
• Mandaathouder: Chennit Tamazouzt

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Defecten zoals substitutionele atomen, vacatures en korrelgrenzen kunnen eigenschappen van 2D materialen drastisch veranderen. De grensvlakken van deze 2D systemen kunnen lateraal verbonden worden of verticaal gestapeld worden. Hierdoor verschijnen er in beide systemen onverwachte interessante fenomenen. Om zulke fascinerende systemen te begrijpen, is er kennis nodig over de lokale, microscopische structuur en compositie van deze systemen. Elektronen ptychography en 4D STEM hebben in recente jaren een heropleving doorstaan omdat onderzoekers 4D STEM als een excellente methode zien om lokale microscopische informatie te bepalen, die voordien niet verkregen kon worden. Alhoewel, 4D STEM inclusief ptychography waren gelimiteerd door de snelheid waarmee pixel detectoren beelden konden opnemen. Dit is het knelpunt om 4D STEM experimenten te optimaliseren. In dit project, zullen we dit knelpunt overkomen met onze nieuwe 4D STEM detector, deze kan tot honderd keer sneller data opnemen vergeleken met de voorgaande 4D STEM detectoren. Gebruik makend van deze doorbraak in snelheid zullen we niet alleen superieure informatie hebben over de structuur, maar ook de atomische elektrische lading en velden zullen gemeten kunnen worden. Dit kan verder worden uitgebreid in de 3de dimensie door 4D STEM te combineren met tomografie en optisch segmenteren. Door deze nieuwe technieken zullen we meer inzage krijgen tot hoe deze 2D materiaal systemen werken.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Pennycook Timothy

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Atomaire resolutie microscopie is gebaseerd op bundels van energetische elektronen. Deze bundels vernietigen fragiele materialen vrij snel, waardoor de beeldvorming ervan een grote uitdaging vormt. Ik heb recent een nieuwe benadering ontwikkeld die het grootst mogelijke oplossend vermogen per elektron voorziet. De methode biedt zowel dubbele resolutie als uitstekende ruisonderdrukking, via multidimensionale data-acquisitie en -analyse. Hier stel ik voor om de nieuwe methode te koppelen aan doorbraken in hogesnelheidscamera's om een ongekende helderheid bij lage doses te bereiken, wat garant staat voor aanzienlijke vooruitgang bij de beeldvorming van bundelgevoelige materialen. Bewijs van het principe zal worden bereikt voor biochemische beeldvorming met behulp van de eenvoudig te hanteren, in de handel verkrijgbaar GroEL-chaperonine-molecule. We zullen onze verbeterde beeldvormingsmogelijkheden combineren met de berekeningsmethoden van gemiddelden die onlangs erkend zijn door de Nobelprijs in de scheikunde voor het afbeelden van biomoleculen in ultra lage doses. Nadat we onze lage dosismogelijkheden hebben bewezen, zullen we ze toepassen op beeldvorming van eiwitten met een grotere resolutie. Vergelijkbare technieken zullen worden gebruikt voor monsters van kwetsbare materialen, bijvoorbeeld metaalorganisch geraamte, Li-ion batterij, 2D, katalysator en perovskiet zonnecelmaterialen. Bovendien kunnen dezelfde reconstructie-algoritmen worden toegepast op simultaan verkregen spectroscopische beelden, waardoor we niet alleen alle atomen kunnen lokaliseren, maar ook identificeren. De eigenschappen van alle materialen worden bepaald door de rangschikking en de identiteit van hun atomen, en daarom zal ons werk invloed hebben op alle belangrijke wetenschapsgebieden, van biologie tot scheikunde en natuurkunde.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Pennycook Timothy

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De zoutgradiënten die optreden waar zoet water in zout oceaanwater stroomt, vormen een zeer grote en bijna volledig ongebruikte bron van schone, zogenaamde blauwe energie, gebaseerd op osmose. Blauwe energie blijft nog ongebruikt omdat de methoden voor het bekomen van deze energie inefficiënt zijn, meestal vanwege de slechte prestaties van de gebruikte membraanprocessen. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem is het gebruik van atomair dunne 2D-materialen met nanoporiën als membranen. Proof of principle experimenten met nanoporiën in 2D-materialen hebben osmotische vermogensdichtheden tot zes orden van grootte beter aangetoond dan conventionele membranen. Dit komt doordat de opbouw van lading rond de nanoporiën een filter creëert waarmee zoutionen met slechts één ladingsteken worden aangedreven door de chemische potentiaalgradiënt van een zout reservoir door de poriën naar een zoetwaterreservoir. Net als in een batterij, creëert de resulterende gescheiden ladingopbouw een elektrisch potentiaalverschil dat kan worden gebruikt voor elektrische stroom. Echter, om maximale energieopwekking uit blauwe energie mogelijk te maken, is een beter begrip van de nanoporiën nodig. Momenteel ontbreekt zelfs basiskennis zoals hun atoomstructuur. In dit project zullen we de atoomstructuur van nanoporiën die zijn gekarakteriseerd voor blauwe energieprestaties bepalen en methoden ontwikkelen om de ladingsdichtheid en elektrische velden op en rond de nanoporiën te onderzoeken met elektronenmicroscopie. In combinatie met de First Principles theorie zullen we de correlaties tussen prestaties van blauwe energie en de bevindingen van de microscopie-experimenten gebruiken om de fysica van osmotische energieproductie met nanoporiën in verschillende 2D-materialen te begrijpen. We zullen dus ontdekken wat nodig is om de beste nanoporie gebaseerde membranen te bekomen, waardoor de ontwikkeling van nanoporiën met optimale blauwe energieprestaties wordt vergemakkelijkt.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Pennycook Timothy
• Mandaathouder: dos Santos Gomes José Nuno

Onderzoeksgroep(en)

• Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)

Project type(s)

• Onderzoeksproject