(Phys.org) – Ett högeffekts atomkraftsmikroskop som kan revolutionera studiet av material vid höga temperaturer och tryck kommer i fokus i ett Wright State University-labb.

Steven Higgins och hans team bygger en ny version av det hydrotermiska atomkraftsmikroskopet, ett instrument som kunde låsa upp vetenskapliga mysterier och användas i studien av oljeproduktion, hydrofrakturering av berglager, lagring av radioaktivt avfall samt infångning och lagring av atmosfärisk koldioxid.

"Jag tog en post-doc position vid University of Wyoming som byggdes kring att bygga ett av de allra första hydrotermiska atomkraftsmikroskopen, sa Higgins, Ph.D., professor i kemi och biträdande direktör för Wright State's Environmental Sciences Ph.D. program. "Alltsedan, Jag har varit intresserad av att bygga det näst bästa mikroskopet."

Till skillnad från ett konventionellt optiskt mikroskop, det hydrotermiska atomkraftsmikroskopet består av en vass sond monterad på änden av en konsol. Cantilevern blir en sensor när sonden kommer i kontakt med materialet som studeras, skapa en elektrisk signal som skapar en bild på en bildskärm. Mikroskopets "atomkraft" kommer från interaktionen mellan sondens atomer och ytan.

Higgins hjälpte till att bygga ett sådant mikroskop i slutet av 1990-talet. Den kunde avbilda ytor vid temperaturer på 150 grader Celsius och tryck på 10 atmosfärer. Den nya versionen skulle ta den till 250 grader Celsius och 80 atmosfärer.

"Om vi ​​kan slå 250 grader, det är verkligen fenomenalt, ", sa Higgins. "Det sätter detta mikroskop långt över den befintliga teknologin. Det kan finnas ett bredare intresse från forskarsamhället för ett mikroskop som kan fungera under dessa förhållanden."

Konventionella svepelektronmikroskop måste normalt drivas i vakuum, vanligtvis i den overkliga världen av ett laboratorium. Det hydrotermiska mikroskopet kan titta på mineraler och andra fasta ytor när de reagerar med vätskor i sin naturliga miljö, ger en mer exakt bild.

Detta ger mikroskopet tillämpningar inom korrosionsvetenskap och bildning av mineralskala, vilket är viktigt för oljeindustrin.

"Precis som en artär skulle tendera att blockeras med plack med tiden, brunnshöljen tenderar att blockeras med mineralskal, " sa Higgins. "Det minskar produktiviteten, ökar kostnaderna och resulterar så småningom i oförmågan att utvinna petroleum."

Mikroskopet byggs genom ett samarbete med Oak Ridge National Laboratory, som har ett team av geovetare som är fokuserade på hög temperatur, högtrycksreaktioner vid mineralvätskegränssnitt.

"De är intresserade av att ta sin svit av instrument till en ny nivå, " Sa Higgins. "De är finansierade för att titta på problem som kan vara relaterade till hydrofrakturering, lagring av radioaktivt avfall, koldioxidbindning. Det här är geokemiska problem som det amerikanska energidepartementet oroar sig för."

Mikroskopet kan också hjälpa till att svara på frågor som skulle främja förståelsen av grundläggande vetenskap.

"Hur beter sig dessa speciella atomer i atomär skala vid dessa temperaturer under dessa förhållanden?" sa Higgins. "Den här typen av mikroskop är verkligen oöverträffad när det gäller dess förmåga att svara på frågor som kan formuleras kring den premissen. Ibland, du lär dig något som är ganska oväntat."

Higgins sa att tillverkarna av kommersiella atomkraftmikroskop inte är så intresserade av att höja måltemperaturen.

"Så vi måste bygga dem på egen hand, " sa han. "Vi måste designa dem, vi måste testa dem, vi måste tillämpa dem på våra egna problem."

Jacky Bracco, en Ph.D. student i miljövetenskap från Atlanta, hjälper till att bygga mikroskopet. Verkstadshandledaren John Lawless för maskinteknik och ingenjörsstudenten Matthew Pifher har också arbetat med det.

"Den primära utmaningen är att ta materialen vi använde i de gamla iterationerna och använda dem vid högre temperaturer, sa Bracco.

Higgins sa att det förmodligen kommer att dröja ett år innan hans team vet om det nya mikroskopet kommer att kunna slå 250 grader.