Professor Frances Ross anslöt sig till MIT Institutionen för materialvetenskap och teknik i höst efter en karriär med att utveckla tekniker som undersöker materialreaktioner medan de äger rum. Tidigare med IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, Ross ger MIT sin expertis i att tillämpa transmissionselektronmikroskopi för att förstå hur nanostrukturer bildas i realtid och använda data från sådana filmer för att utveckla nya strukturer och tillväxtvägar.

F:Vilken insikt får vi genom att observera nanoskala kristallstrukturer som bildas i realtid och som missades när observation var begränsad till att analysera strukturer först efter bildandet?

A:Spela in en film om något som växer, snarare än bilder före och efter tillväxt, har många spännande fördelar. Filmen ger oss en kontinuerlig bild av en process, som visar hela utvecklingen. Detta kan innehålla detaljerad information som tillväxttakten för en enskild nanokristall. Att spela in en kontinuerlig vy gör det lättare att fånga en snabb kärnbildningshändelse eller en riktigt kortlivad mellanliggande form, vilket ofta kan vara ganska oväntat. Filmen ger oss också ett fönster till materialets beteende under verkliga bearbetningsförhållanden, undvika de förändringar som vanligtvis inträffar när du stoppar tillväxten för att göra dig redo för efterväxtanalys. Och slutligen, det är möjligt att odla ett enda objekt och sedan mäta dess egenskaper, såsom den elektriska konduktiviteten hos en nanotråd eller smältpunkten för en nanokristall. Naturligtvis innebär det att få sådan information större experimentell komplexitet, men resultaten gör denna extra insats värd, och vi tycker verkligen om att designa och genomföra dessa experiment.

F:Vad kommer din roll att vara när det gäller att föra dessa tekniker framåt genom den nya MIT.nano -anläggningen?

A:MIT.nano har några väldigt tysta rum på nedervåningen. Rummen är utformade för att ha en stabil temperatur och minimera vibrationer och elektromagnetiska fält från omgivningen, inklusive den närliggande T -linjen [tunnelbana]. Vår plan är att använda ett av dessa rum för ett unikt nytt elektronmikroskop. Det kommer att utformas för tillväxtexperiment som involverar tvådimensionella material:inte bara den berömda grafen utan även andra. Vi planerar att studera tillväxtreaktioner där "konventionella" (tredimensionella) nanokristaller växer på tvådimensionella material-ett nödvändigt steg för att till fullo utnyttja de intressanta nya möjligheter som tvådimensionella material erbjuder. Tillväxtreaktioner som involverar tvådimensionella material är svåra att studera med vår befintliga utrustning eftersom materialen skadas av elektronerna som används för avbildning. Det nya mikroskopet kommer att använda elektroner med lägre spänning och ha ett högt vakuum för exakt kontroll av miljön och kapacitet för att utföra tillväxt och andra processer med reaktiva gaser. Detta mikroskop kommer också att gynna tillväxtstudier i många andra material. Men inte alla experiment kräver sådan toppmodern utrustning, och vi planerar också att utveckla nya möjligheter, särskilt för att titta på reaktioner i vätskor, i mikroskop som redan fungerar i byggnad 13.

F:Vilken teknik kommer mest omedelbart att gynnas genom förbättrad observation av nanoskala strukturbildning?

A:Jag tror att alla nya sätt att se på ett material eller en process tenderar att påverka ett mycket bredare område än du först tror. Det har varit mycket spännande att se hur många områden som har utnyttjat de möjligheter som denna typ av tillväxtförsök erbjuder. Tillväxtprocesser i vätskor har redan undersökt katalysatorer i funktion, biomineralisering, flytande fysik (t.ex. nanoskalbubblor), korrosion, och material för laddningsbara batterier. Några biologiska, geologisk, eller atmosfäriska processer kommer också så småningom att dra nytta av denna typ av mikroskopi. Tillväxtreaktioner som involverar gaser är särskilt väl lämpade för att ta upp frågor i katalys (igen), tunna filmer och beläggningar, bearbetning för mikroelektronik, strukturer som används i solid-state-belysning, och en mängd andra teknikområden. Vår strategi har varit att välja relativt enkla material som har användbara applikationer - kisel, germanium, koppar - men använd sedan experimenten för att undersöka den grundläggande fysiken som ligger till grund för materialets reaktion och se hur det kan lära oss hur man bygger mer komplexa strukturer. Ju enklare och mer generell modellen är som förklarar våra observationer, desto gladare är vi.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.