När någon kommer på ordet "förstora" syftar det antingen på att göra avlägsna föremål närmare eller att göra små föremål större i en påtaglig skala. Det råder ingen tvekan om att kraften i förstorande instrument, oavsett skala och riktning, kan leda till framsteg inom det vetenskapliga området. Sedan lanseringen 2021 har James Webb Space Telescope (JWST) påbörjat ett uppdrag för att samla in oöverträffad data från det djupa universum, i syfte att utöka vår förståelse av himlakropparnas tidiga universum och livscykel.
Den lämpliga analogin för JWST i atomvärlden är det aberrationskorrigerade elektronmikroskopet (ACEM). Genom att utnyttja en mycket koherent elektron tillsammans med en aberrationskorrektor utmärker sig mikroskopet när det gäller att lösa subatomära egenskaper, vilket möjliggör en omfattande utforskning av det struktur-funktionella förhållandet i material. Som en häftklammer för nano-världsnavigatorer kan den moderna ACEM tillhandahålla ovärderlig information som förblir oersättlig med andra karaktäriseringsmetoder.
Motsägelsen uppstår från den dubbla naturen hos högenergielektronerna. Elektronens vågegenskap möjliggör högupplöst avbildning, medan deras partikelegenskap gör kollisioner oundvikliga. När partikeln färdas genom den omgivande tryckgasen, är deras genomsnittliga fria väg – det avstånd de kan färdas innan de väsentligt ändrar sin ursprungliga riktning eller energi – endast begränsad till cirka 100 nm.
Ballistiska kollisioner ändrar elektronens riktning eller utarmar dess energi, vilket avsevärt hindrar elektronoptikens prestanda. För att kringgå dessa kollisioner hålls mikroskopkolonnen vanligtvis under ultrahögt vakuum, som är minst 10 10 gånger tunnare än omgivande luft.
ACEM:s natur begränsar dess tillämpbarhet till statiska, tunna och solida prover. Emellertid omfattar material olika tillstånd av materia bortom fasta ämnen, inklusive vätskor, gaser och plasma. För att observera reaktioner på nanoskala är det viktigt att kapsla in de involverade vätskemedierna i en förseglad nanoreaktor, vilket förhindrar att de sprids. Användningen av tekniken kiselnitrid mikro-elektromekaniska system (MEMS) tillgodoser dessa speciella behov, vilket gör det möjligt för forskare att utforska reaktioner på nanoskala.
Kiselnitridfilmen, som tjänar som ett inkapslingsmembran, kan bekvämt tillverkas med en tjocklek i intervallet några tiotals nanometer med användning av kemisk ångavsättningsprocess. Dessa filmer uppvisar rimlig motståndskraft mot mekaniska stötar, särskilt när de har mer än en viss tjocklek, även om det finns ett kompromissförhållande med elektrontransparens.
Analogt med ett akvarium med en glasvägg som är flera fot tjock, som kan vara robust nog att innehålla stora mängder vatten, blir det en utmaning att maximera sikten genom glaset. Därför är konstruktion av "väggen" avgörande för att säkerställa optimal synlighet i både akvarier och vätskebehållaren för ACEM.
För att möta denna utmaning hämtar vi inspiration från bikupan, en struktur som tål höga mekaniska påfrestningar samtidigt som man använder minimalt med material. Vår lösning innebär att skapa ett utrymmesfyllande hexagonalt stödsystem som använder kraftigt dopat kisel under den ultratunna kiselnitriden, vilket uppnår detta med endast 1/5 av tjockleken jämfört med konventionell metod.
Den bikupaliknande strukturen maximerar öppningen för att observera reaktionerna och ger optimal styrka under mekanisk påfrestning. Genom detta ultratunna genombrott kan membranet tunnas ut till en ensiffrig nanometerskala – ungefär 1/10 000 av tjockleken på ett människohår, utan att uppleva bristning eller läckage i mikroskopet.
Transparensen av det ultratunna membranet möjliggör kartläggning av vätskor med sub-nanometer rumslig upplösning och betydande undertryckande av den negativa elektronspridningen, en förmåga som inte kan uppnås med konventionella omslutande material. Detta genombrott möjliggör känslighet i gasfasen så att den detekterar en handfull gasmolekyler inuti transmissionselektronmikroskopet (TEM). Denna känslighetsnivå gör det möjligt att fånga reaktioner som inträffar vid gränssnittet gas och fast material med tidsupplösning i mikrosekund.
Som ett illustrativt exempel visualiserar vi införandet av väteatomer i palladiummetall under omgivningstemperatur och tryckförhållanden. Denna teknologi har en enorm potential för att utveckla och undersöka nanokatalysatorer för kolavskiljning i gasfas, såväl som för energimaterial som bränsleceller och metall-luftbatterier, vilket ger insikter i atomär skala. Vårt arbete är publicerat i tidskriften Science Advances .
Även om vi arbetar i en annan skala och omfattning drar vi en parallell mellan denna utveckling och de banbrytande kapaciteterna hos rymdteleskopet James Webb (JWST), som levererar oöverträffade bilder och data som utmanar kosmologiska teorier. Dessutom föreslår vi att denna innovativa strategi för att designa mikrochips med ultratunna membran kan utvidgas till olika applikationer där de tunna membranen fungerar som inkapslingar och/eller stödmaterial, med implikationer som sträcker sig utanför nanovetenskapens område.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Kunmo Koo et al, Ultrathin kiselnitridmikrochip för in situ/operando-mikroskopi med hög rumslig upplösning och spektral synlighet, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Dr. Kunmo Koo är en forskarassistent vid NUANCE Center. Dr. Xiaobing Hu är en forskningsdocent vid avdelningen för materialvetenskap och ingenjörskonst och TEM Facility Manager vid NUANCE center. Dr. Vinayak P. Dravid är Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik och grundare av NUANCE Center.
