Plast finns runt omkring oss - de utgör våra vattenflaskor, soppåsar, packningsmaterial, leksaker, behållare, och mer. Omkring 300 miljoner ton plast produceras världen över varje år, men detaljerna om vad som händer på atomskala under plastproduktionsprocessen är fortfarande oklara.

Nu, en ny teknik utvecklad av forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med Dow och Eindhoven University of Technology i Nederländerna, tillhandahåller atomupplösta detaljer om magnesiumklorid, ett material som är involverat i tillverkningen av den vanligaste plasten, polyeten - och kan bidra till att skapa en väg mot hållbar plast. Deras resultat rapporterades i Avancerade funktionella material .

Forskarna använde pulserade elektronstrålar i ett elektronmikroskop för att producera första bilder i sitt slag av magnesiumklorid. En kontinuerlig elektronstråle skadar snabbt denna känsliga, strålkänsligt material, men den nya tekniken gjorde det möjligt för forskarna att studera den utan skada.

"Om du hade frågat mig för 10 år sedan om vi kunde använda pulserade elektronstrålar för att avbilda strålkänsliga material med atomupplösning, Jag skulle inte tro det, "sa Christian Kisielowski, huvudförfattare till studien och personalvetare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en nanoskala användaranläggning för vetenskap. "Nu är det möjligt, och det har gjort det möjligt för oss att studera ett viktigt material för plastindustrin. "

Kisielowski tillade att detta är en spelväxlare för att avbilda ett brett spektrum av material som normalt skadas inuti ett elektronmikroskop. Förutom magnesiumklorid, till exempel, pulserade elektronstrålar kan också användas för att studera mjuka membran och plast i allmänhet.

Fokuserar på en ny väg mot hållbar plast

Även om magnesiumklorid används i stor utsträckning som stödstruktur för katalysatorer (material som påskyndar reaktionerna) som används för att tillverka plast, det exakta sättet på vilket det fungerar förblir ett mysterium. Atombilder av magnesiumklorid skulle hjälpa till att klargöra dess roll i plastproduktion och kan hjälpa till att bana väg för mer specialiserad och hållbar plast.

Tyvärr, tidigare försök att avbilda detta kritiska material har varit svåra eftersom magnesiumklorid kan existera i två typer av kristallstrukturer som har något olika arrangemang av atomer. "Elektronstrålen i sig påverkar materialstrukturen, gör det svårt att tolka vilken struktur som avbildas, "sa Kisielowski." Genom att arbeta med våra medarbetare, vi kunde reta ut olika interaktioner. "

Berkeley Lab -teamet samarbetade med Eindhoven University of Technology och Dow för att utveckla en teknik som levererar periodiska pulser av elektroner istället för en kontinuerlig elektronstråle till bildmagnesiumklorid. Med hjälp av ett modifierat elektronmikroskop i Eindhoven, fann forskarna att genom att pulsera elektronstrålen som ett extremt snabbt stroboskopljus med en puls var 160 pikosekunder (1 pikosekund är en biljonedel av en sekund), materialet kan i huvudsak "läka" sig själv mellan pulser.

Man har förstått att prover skadas i ett elektronmikroskop när atomer slås ur position eller molekyler delas upp i mindre partiklar. Genom denna studie, forskarna lärde sig att ackumuleringen av atomvibrationer orsakade av elektronstrålen är lika viktig. Genom att pulsera strålen i tid med dessa vibrationer, forskarna bevarade materialets ursprungliga atomstruktur och avslöjade att ark med magnesiumklorid staplade ovanpå varandra i ett oregelbundet arrangemang som en slumpmässig bunt böcker, som skiljer den från andra material.

Ett annat problem som andra forskare har kämpat med vid avbildning av magnesiumklorid är att när materialet utsätts för luft, det förändras i både kemiskt innehåll och kristallstruktur (hur dess atomer är ordnade i rymden). Men när man använder konventionella elektronmikroskopitekniker, provet exponeras för luft när det överförs till mikroskopet.

När nya lösningar blir kristallklara

Kisielowski noterade att genom sitt samarbete med Dow, de kunde minimera materialets exponering för luft innan de sattes in i mikroskopet med hjälp av en speciell vakuumförsluten hållare. "Våra kollegor på Dow lärde oss att hantera luftkänsliga material, och det var en viktig del av det hela, "Sa Kisielowski." Vi är experter på att styra elektronstrålen, vilket är lika viktigt. Det var ett ge-och-ta-samarbete. "

"Historiskt sett en atomnivåförståelse för magnesiumklorid har varit svår att uppnå, "sa David Yancey, projektets Dow -samarbetspartner, tillade att Dows nära relation till Berkeley Lab tillät dem att tillämpa gjuteriets mikroskopikunskap för att lösa detta utmanande problem.

Genom att samarbeta, forskare vid Berkeley Lab och Dow kan ta itu med grundläggande vetenskapliga frågor som ligger till grund för utmanande industriella problem. "Det institutionella partnerskapet öppnar nya vägar för framtida forskning, "sa Horst Simon, Berkeley Labs biträdande chef för forskning. "Att ta itu med dessa stora, grundläggande frågor kommer att leda till långtgående fördelar inom vetenskapen, industri, och nationens ekonomi. "

Nu när forskarna kan avbilda katalysatorerna för plastproduktion med atomupplösning, de kommer att gå mot att studera sambandet mellan dessa strukturer och egenskaperna hos plast, banar väg mot mer specialiserad och hållbar plast.

"Vi vet redan att vi måste förändra hur vi hanterar plast i världen, "sa Petra Specht, andra författare till studien och forskare vid avdelningen Materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Om du vill göra ändringar, du behöver veta hur processen fungerar. Förhoppningsvis, vår nya teknik hjälper oss att få en bättre förståelse för hur plast bildas, och hur vi kan göra mer hållbara material, " tillade hon.