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Catalyst sintering detective: telling particle growth from migration and coalescence
Workflows & Data 2026. 10. 10 · —

Catalyst sintering detective: telling particle growth from migration and coalescence촉매 입자 소결 판별: 커지는 입자와 합쳐지는 입자 구분하기

Follow supported catalyst particles as they grow, move and merge. Compare Ostwald ripening with particle migration and coalescence, inspect the evidence, then test your interpretation in a five-round quiz.촉매 입자의 성장·이동·합체를 영상과 크기 분포로 비교하세요. Ostwald ripening과 입자 이동·합체의 단서를 살펴보고, 5판 퀴즈로 관찰과 해석을 연습할 수 있습니다.

in situ TEMcatalyst sinteringOstwald ripeninginteractive tools

Larger particles, different routes

Catalyst particles can become larger while their total number and available surface area decrease. The same change in mean diameter can arise through different routes: atoms leaving small particles and joining larger ones, or particles moving across a support and merging when they meet. Understanding the route matters when deciding what to follow in an in situ experiment.

AEML’s third research tool, Catalyst sintering detective, turns these mechanisms into a TEM-like movie. Follow individual particles, compare size distributions and surface-area changes, then use a short quiz to test which evidence supports your interpretation.

Open the sintering detective →

Follow the particles, then read the statistics

The two mechanisms leave different clues in the movie.

  • Ostwald ripening (OR): atoms transfer from smaller particles to larger ones. Look for particles that shrink and disappear in place while their larger neighbours grow.
  • Particle migration and coalescence (PMC): particles move across the support and merge when they meet. Follow the trajectories and the disappearance of the boundary between a pair of particles.

Both routes reduce particle number and can increase mean size, so those two statistics alone do not settle the question. The tool places the movie beside the size distribution, particle-count history and growth plot. The surface readout tracks a geometric proxy for the exposed metal area.

Turn on Show evidence to see recent trajectories in blue and particles that have just vanished in place marked in red. Pause the movie and move the time slider to compare the events with the changing statistics.

Zoom in to a single crystal

Below the movie, the Close-up view follows one event at a time: two particles about to merge, the merge itself or a particle about to vanish in place. The orange square in the movie shows where it is looking. Another scene moves to a different event, and clicking a particle in the movie follows that particle instead.

In a field only a few nanometres wide, an aberration-corrected microscope resolves the atomic columns of a Pt particle, so the close-up draws each particle as a crystal seen along the [111] zone axis. Each dot is a column of Pt atoms, 0.16 nm from its neighbours. Columns that hold more atoms appear brighter in HAADF and darker in bright field; the flat (111) top facet therefore looks even, while the {111} and {100} side facets fade towards the edge. When two crystals merge, the neck between them fills with the lattice of the particle that remains.

The particle shapes come from the Pt surface energies, and the columns count the atoms inside each shape. Every particle is assumed to sit on a (111) facet and so to lie on the zone axis, and bright field leaves out the focus- and thickness-dependent contrast of real lattice images. Necks and changes of shape are illustrations rather than part of the calculation. In a wide field that the screen cannot resolve at 0.16 nm, the close-up shows thickness contrast instead.

In the quiz, the close-up stays on the centre of the field and names no events until you answer. You can still click a particle to follow it.

Compare three example conditions

Start with Oxidizing gas: Ostwald ripening wins, Small particles, inert gas: migration wins and Both at once. These examples illustrate how the dominant contribution changes when the relative rates and initial particle sizes change.

Then adjust temperature, initial mean diameter, size spread and support coverage. The OR and PMC switches let you examine their separate contributions. Smaller particles move faster in the model, while changing the temperature rescales the rates through the selected activation energies. The oxidizing-gas example applies an illustrative acceleration to OR; its multiplier is not a universal property of oxidizing atmospheres.

The distribution view includes the LSW and Wagner reference curves for the modeled ripening regimes. Use them together with the movie: a distribution or a fitted growth exponent is one part of the evidence, and the individual particle events help explain it.

Test your interpretation with five hidden scenarios

Switch from Explore to Quiz. Each round shows a particle movie without revealing the selected mechanism. Decide whether the main process is OR, PMC or a combination of both, then check the explanation.

After you answer, the tool reveals the hidden scenario and evidence from the complete run: particles that vanished in place, merging events, the fraction of larger particles and the late growth exponent. The five-round sequence encourages you to compare what you saw with the evidence rather than relying on mean size alone.

The quiz is also useful in a group discussion. Pause at an event, ask what would need to be tracked in a real TEM series, and compare the reasons behind different answers.

Keep model time separate from experimental time

The model combines mean-field OR with Brownian particle migration on a two-dimensional support. Total particle volume is conserved, and merging follows contact. The TEM-like rendering provides a visual setting for these mechanisms; it is a simulation rather than an experimental micrograph.

The time axis is dimensionless model time. The rates and gas-response multiplier are illustrative, so the movie cannot be converted directly into a catalyst lifetime or a required heating duration. Likewise, the geometric surface-area proxy does not by itself predict catalytic activity.

Use Copy settings link to share a comparison. The inputs and random seed travel with the link, making the particle evolution reproducible for the same model version. The equations, assumptions and references are available below the interactive view.

How we built and checked the tool

We designed and implemented this tool with Claude Opus 5.5 Max in Claude Code. The starting question was whether watching individual particles could help distinguish the routes behind growth. We used the OR and PMC models to build the calculation module, particle movie, statistical plots and five-round quiz in TypeScript, React and Canvas.

The calculation code and tests were reviewed independently with Codex (GPT-6.1 Sol, Max), and the findings informed revisions. Checks covered total-volume conservation, the LSW and Wagner distributions and growth rates, and the mean-square displacement expected for Brownian migration. We also checked reproducibility with the same random seed, quiz scenarios and desktop and mobile interactions.

The single-crystal close-up was added later in the same way. It was designed and implemented with Claude Opus 5.5 Max in Claude Code, and the finished code was reviewed independently by a separate Claude Opus 5.5 reviewer and by Codex (GPT-6.1 Sol, Max). The checks compared the atoms in every column with a one-by-one count of the atoms in each shape and confirmed that the lattice follows the (111) orientation used in the nanoparticle shape tool. They also verified that quiz captions name no mechanism before an answer, that the same seed still reproduces the same run, and that playback holds 15 frames per second with 1,200 particles in a desktop browser.

Open the tool and try the five-round quiz →

To explore changes in the shape of one particle, see Gas-responsive nanoparticle shape. For acquisition timing and beam exposure, start with the Gas TEM planner.

입자가 커졌다면, 어떤 경로로 커졌을까요?

촉매 입자가 커지면서 입자 수와 이용 가능한 표면적이 줄어드는 변화는 여러 경로로 일어날 수 있습니다. 작은 입자에서 빠져나온 원자가 큰 입자로 옮겨갈 수도 있고, 입자 자체가 지지체 위를 움직이다 만나서 합쳐질 수도 있습니다. 같은 평균 지름의 증가라도 경로를 구분해야 in situ 실험에서 무엇을 따라가야 할지 정할 수 있습니다.

AEML의 세 번째 연구 도구, 촉매 입자 소결 판별은 이 두 메커니즘을 TEM처럼 표현한 영상으로 보여줍니다. 개별 입자를 따라가며 크기 분포와 표면적 변화를 비교하고, 짧은 퀴즈로 관찰한 단서와 해석이 맞는지 확인해 보세요.

촉매 소결 판별 도구 열기 →

입자를 따라간 뒤 통계와 연결하기

두 메커니즘은 영상에 서로 다른 단서를 남깁니다.

  • Ostwald ripening(OR): 작은 입자에서 큰 입자로 원자가 이동합니다. 작은 입자가 제자리에서 줄어들어 사라지고 큰 입자가 자라는 모습을 찾아보세요.
  • 입자 이동·합체(PMC): 입자 자체가 지지체 위를 움직이고, 서로 만나면 합쳐집니다. 이동 경로와 두 입자 사이의 경계가 사라지는 순간을 따라가 보세요.

두 경로 모두 입자 수를 줄이고 평균 크기를 키울 수 있으므로, 이 두 통계만으로는 메커니즘을 단정하기 어렵습니다. 도구는 영상과 함께 크기 분포, 입자 수의 변화, 성장 그래프를 보여줍니다. 표면적 항목은 드러난 금속 표면적에 비례하는 기하학적 대리지표를 추적합니다.

증거 보기를 켜면 최근 이동 경로는 파란 선으로, 방금 제자리에서 사라진 입자는 빨간 원으로 표시됩니다. 영상을 멈추고 시간 슬라이더를 움직이며, 실제로 일어난 사건과 통계의 변화를 연결해 보세요.

결정 하나를 확대해 보기

영상 아래의 확대 보기는 사건을 하나씩 따라갑니다. 곧 합쳐질 두 입자, 합쳐지는 순간, 제자리에서 곧 사라질 입자를 보여 주며, 영상 위의 주황색 네모가 지금 확대해 보는 위치입니다. 다른 장면을 누르면 다른 사건으로 넘어가고, 영상에서 입자를 누르면 그 입자를 따라갑니다.

시야가 수 nm 정도로 좁으면 수차 보정 전자현미경은 Pt 입자의 원자 기둥까지 분해합니다. 그래서 확대 보기는 입자를 [111] 정대축으로 본 결정으로 그리며, 점 하나가 Pt 원자 기둥 하나이고 이웃 기둥과의 간격은 0.16 nm입니다. 원자가 많이 쌓인 기둥일수록 HAADF에서는 밝게, 명시야에서는 어둡게 보이므로 가운데의 (111) 윗면은 고르게 보이고 둘레의 {111}과 {100} 옆면은 가장자리로 갈수록 옅어집니다. 두 결정이 합쳐질 때는 그 사이의 목이 남는 입자의 격자로 채워집니다.

입자 모양은 Pt 표면에너지로 정했고, 원자 기둥은 그 모양 안에 든 원자를 센 것입니다. 모든 입자가 (111)면으로 앉아 정대축으로 보인다고 가정했고, 명시야에서는 실제 격자상의 초점과 두께에 따른 대비 변화를 생략했습니다. 목과 모양 변화는 보여 주기 위한 그림이며 계산에는 들어가지 않습니다. 시야가 넓어 화면이 0.16 nm를 분해하지 못할 때는 두께 명암으로 그립니다.

퀴즈에서는 답을 고르기 전까지 확대 보기가 시야 가운데에 머물고 사건 이름도 나오지 않습니다. 입자를 눌러 따라가는 기능은 그대로 쓸 수 있습니다.

세 가지 예시 조건 비교하기

먼저 산화 분위기: OR 우세, 작은 입자, 불활성: PMC 우세, 둘 다를 비교해 보세요. 상대적인 속도와 초기 입자 크기가 달라질 때 어떤 과정이 두드러지는지 살펴볼 수 있습니다.

그다음 온도, 초기 평균 지름, 크기 분포 폭, 지지체 피복률을 바꾸어 보세요. OR과 PMC의 스위치로 각 과정의 기여를 따로 살펴볼 수도 있습니다. 모델에서는 작은 입자가 더 빠르게 움직이며, 온도 변화는 설정한 활성화 에너지에 따라 속도를 바꿉니다. 산화 분위기의 OR 가속 배수는 효과를 보여주기 위한 설명용 값으로, 모든 산화 분위기에 공통으로 적용되는 물성값은 아닙니다.

크기 분포에는 모델의 ripening 영역에 대응하는 LSW와 Wagner 기준 곡선이 함께 표시됩니다. 분포와 성장 지수를 영상과 나란히 읽어보세요. 통계적 특징에 개별 입자의 사건을 더하면 변화의 경로를 해석하기가 쉬워집니다.

숨겨진 조건을 5판 퀴즈로 판별하기

탐색에서 퀴즈로 전환하면 선택된 메커니즘을 숨긴 입자 영상이 나옵니다. OR, PMC, 또는 두 과정의 조합 중 무엇이 지배적인지 판단한 뒤 해설을 확인해 보세요.

답을 고르면 숨겨진 시나리오와 전체 계산에서 얻은 근거가 공개됩니다. 제자리에서 사라진 입자 수, 합체 횟수, 큰 입자의 비율, 후반부 성장 지수를 관찰한 영상과 비교할 수 있습니다. 5판을 풀며 평균 크기 하나에 기대기보다 여러 단서를 함께 읽는 연습을 할 수 있습니다.

연구실 토론이나 교육에서도 활용해 보세요. 특정 사건에서 영상을 멈추고 실제 TEM 연속 영상에서는 무엇을 추적해야 할지, 서로 다른 답을 고른 이유가 무엇인지 이야기할 수 있습니다.

모델 시간과 실험 시간 구분하기

모델은 평균장 OR과 2차원 지지체 위의 Brownian 입자 이동을 결합합니다. 입자 총부피를 보존하며, 맞닿은 입자는 합체합니다. TEM처럼 표현한 영상은 이러한 과정을 살펴보기 위한 시뮬레이션입니다.

시간축은 무차원 모델 시간입니다. 속도와 기체에 따른 가속 배수는 설명용 값이므로, 영상의 시간을 실제 촉매 수명이나 필요한 가열 시간으로 바로 환산할 수는 없습니다. 기하학적 표면적 대리지표도 촉매 활성 자체를 예측하는 값은 아닙니다.

설정 공유 링크 복사로 비교 조건을 공유할 수 있습니다. 입력값과 난수 seed가 링크에 함께 담기므로, 같은 모델 버전에서는 같은 입자 변화를 재현할 수 있습니다. 수식·모델 가정·참고 문헌은 도구 아래에서 확인해 보세요.

AI를 활용한 제작과 검증

이 도구는 Claude Code에서 Claude Opus 5.5 Max를 사용해 설계하고 구현했습니다. ‘개별 입자를 따라가면 성장의 경로를 구분할 수 있을까?’라는 질문을 출발점으로, OR과 PMC 모델을 바탕으로 계산 모듈·입자 영상·통계 그래프·5판 퀴즈를 TypeScript·React·Canvas로 구현했습니다.

계산 코드와 테스트는 Codex(GPT-6.1 Sol, Max)의 독립 검토를 거쳐 보완했습니다. 총부피 보존, LSW·Wagner 이론 분포와 성장률, Brownian 이동의 평균제곱변위를 기준으로 계산을 확인하고, 같은 난수 seed의 재현성·퀴즈 시나리오·데스크톱과 모바일 조작도 점검했습니다.

결정 확대 보기는 나중에 같은 방식으로 더했습니다. Claude Code의 Claude Opus 5.5 Max로 설계하고 구현했으며, 완성된 코드는 별도의 Claude Opus 5.5 검토자와 Codex(GPT-6.1 Sol, Max)가 각각 독립적으로 검토했습니다. 기둥마다 센 원자 수를 모양 안의 원자를 하나씩 센 결과와 대조했고, 격자 방향이 나노입자 모양 도구의 (111) 방향과 일치하는지 확인했습니다. 답을 고르기 전의 퀴즈 문구에 메커니즘 이름이 나오지 않는지, 같은 seed로 같은 결과가 재현되는지도 점검했으며, 데스크톱 브라우저에서 입자 1,200개 조건의 재생이 초당 15프레임을 유지하는 것을 확인했습니다.

도구를 열고 5판 퀴즈에 도전해 보세요 →

한 입자의 모양 변화를 살펴보려면 기체에 따라 바뀌는 나노입자 모양을, 촬영 시점과 전자빔 조사를 계획하려면 Gas TEM 계획기를 함께 활용해 보세요.

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