Tre bilder av titanhydrid. Vänster:högvinkligt ringformigt mörkt fält (HAADF). Mitten:den nya tekniken som beskrivs i tidningen, visar både titan- och väteatomer (markerade blå respektive röda) Höger:Kontrastinverterat ringformigt ljusfält Kredit:deGraaf et al, University of Groningen
Fysiker vid University of Groningen har visualiserat väte vid gränssnittet titan/titanhydrid med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop. Med hjälp av en ny teknik, de lyckades visualisera både metallen och väteatomerna i en enda bild, låta dem testa olika teoretiska modeller som beskriver gränssnittsstrukturen. Resultaten publicerades den 31 januari i tidningen Vetenskapliga framsteg .
För att förstå materialens egenskaper, Det är ofta viktigt att observera deras struktur med en atomupplösning. Visualisering av atomer med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop (TEM) är möjligt; dock, än så länge, ingen har lyckats producera korrekta bilder av både tunga atomer och den lättaste av alla (väte) tillsammans. Detta är precis vad University of Groningen Professor i nanostrukturerade material Bart Kooi och hans kollegor har gjort. De använde en ny TEM med funktioner som gjorde det möjligt att producera bilder av både titan och väteatomer vid gränssnittet titan/titanhydrid.
Väteatomer
De resulterande bilderna visar hur kolonner med väteatomer fyller utrymmen mellan titanatomerna, förvränga kristallstrukturen. De upptar hälften av utrymmena, något som förutspåddes tidigare. "På 1980 -talet, tre olika modeller föreslogs för vätgas position vid metall/metallhydridgränssnittet, "säger Kooi." Vi kunde nu själva se vilken modell som var rätt. "
För att skapa metall/metallhydridgränssnittet, Kooi och hans kollegor började med titankristaller. Atomväte infunderades sedan och trängde in i titanet i mycket tunna kilar, bildar små metallhydridkristaller. "I dessa kilar, antalet väteatomer och titanatomer är desamma, ”Förklarar Kooi.” Genomträngning av väte skapar ett högt tryck inuti kristallen. De mycket tunna hydridplattorna orsakar vätskörhet i metaller, till exempel inuti kärnreaktorer. "Trycket vid gränssnittet förhindrar att vätet släpper ut.
En bild från kontrollrummet av det nya TEM av Thermo Fisher Scientific vid University of Groningen, med Prof. Dr. Bart Kooi i bakgrunden. Kredit:University of Groningen
Innovationer
Att producera bilder av det tunga titanet och de lätta väteatomerna vid gränssnittet var en ganska utmaning. Först, provet laddades med väte. Det bör därefter ses i en specifik orientering längs gränssnittet. Detta uppnåddes genom att skära korrekt inriktade kristaller från titan med hjälp av en jonstråle och göra proverna tunnare - till en tjocklek av högst 50 nm - igen med hjälp av en jonstråle.
Visualiseringen av både titan- och väteatomer möjliggjordes av flera innovationer som inkluderades i TEM. Tunga atomer kan visualiseras genom spridningen som de orsakar av elektronerna i mikroskopstrålen. Spridna elektroner detekteras företrädesvis med användning av högvinkeldetektorer. "Väte är för lätt för att orsaka denna spridning, så för dessa atomer, vi måste lita på att konstruera bilden från lågvinkelspridning, som inkluderar elektronvågor. "Men materialet orsakar störningar av dessa vågor, som hittills har gjort identifiering av väteatomer nästan omöjligt.
Datorsimuleringar
Vågorna detekteras av en lågvinkel-ljusfältdetektor. Det nya mikroskopet har en cirkulär ljusfältdetektor som är uppdelad i fyra segment. Genom att analysera skillnader i vågfronterna som detekteras i motsatta segment och titta på de förändringar som uppstår när skanningsstrålen korsar materialet, det är möjligt att filtrera bort störningarna och visualisera de mycket lätta väteatomerna.
"Det första kravet är att ha ett mikroskop som kan skanna med en elektronstråle som är mindre än avståndet mellan atomerna. Det är därefter kombinationen av den segmenterade ljusfältdetektorn och den analytiska mjukvaran som gör visualisering möjlig, "förklarar Kooi, som arbetade i nära samarbete med forskare från mikroskopets tillverkare, Thermo Fisher Scientific, varav två är medförfattare på tidningen. Kooi's grupp lade till olika brusfilter i programvaran och testade dem. De utförde också omfattande datasimuleringar, mot vilka de jämförde de experimentella bilderna.
Nanomaterial
Studien visar samspelet mellan väte och metall, som är användbar kunskap för att studera material som kan lagra väte. "Metallhydrider kan lagra mer väte per volym än flytande väte." Vidare, teknikerna som används för att visualisera vätet kan också appliceras på andra ljusatomer, som syre, kväve eller bor, som är viktiga i många nanomaterial. "Att kunna se lätta atomer bredvid tunga öppnar alla möjliga möjligheter."
