Forskare från Northwestern University har utvecklat en ny metod för att vara värd för gasmolekyler när de analyseras i realtid, med hjälp av bikakestrukturer som finns i naturen som inspiration för ett ultratunt keramiskt membran som de inkorporerade för att omsluta provet.
Förutom att sluta sig till gasatomers signaturer genom deras unika bindningar, fungerar inkapslingsstrategin inom högvakuumtransmissionselektronmikroskop (TEM) för att förbättra avbildning av fasta nanostrukturer. Dessa verktyg kan användas över hela linjen, från nationella labb som bedriver grundforskning till innovativa nystartade företag som skapar praktiska tillämpningar.
När elektroner sprids bort från sin ursprungliga väg när de passerar genom ett prov, försämras bildupplösningen och kontrasten. Designad av ett team av materialforskare vid Northwestern, minimerade det resulterande mikrochippet av kiselnitrid bakgrundsspridning.
"Vårt team har utvecklat ett membran som är så tunt att elektroner kan passera genom nanoreaktorn med minimal distraktion," sa materialforskaren Vinayak Dravid. "Vi förankrade en ultratunn kiselnitridfilm på vår bikakestruktur som ger oss en cell med membran på båda sidor."
Uppsatsen publicerades 17 januari i tidskriften Science Advances .
Dravid, en författare till uppsatsen, är Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och grundare av NUANCE Center, där arbetet utfördes. Han fungerar också som biträdande direktör för globala initiativ vid International Institute for Nanotechnology.
Tillsammans med Xiaobing Hu, motsvarande författare och en forskningsdocent inom materialvetenskap och ingenjörsavdelningen, och Kunmo Koo, första författare och en forskarassistent vid NUANCE Center, utvecklade Dravids forskargrupp plattformen för gasceller med hjälp av en membrancell -femte så tjocka som kommersiellt tillgängliga mikrochips.
Före- och efterbilderna som visade reaktionerna var slående.
"Tjockleken på de konventionella membranen tenderar att vara mycket stor för att bibehålla den mekaniska integriteten under det extremt höga vakuumet som mikroskopet skapar," sa Dravid. "Föreställ dig att jag var tvungen att ha väldigt tjocka glasögon som absorberar mycket ljus och som ett resultat av det ser jag inte mycket. Bilderna vi producerade med vår uppfinning ser nästan ut som att ta bort glasen."
Dravid jämförde skillnaden med rymdteleskopet James Webb, där tidigare osynliga kroppar hamnade i fokus. Viktigt är att membranet gjorde det möjligt för teamet att använda spektroskopi för att göra en analys "ned till en handfull gasatomer" - för att till exempel kunna urskilja en skillnad mellan tidigare identiska molekyler som koldioxid (CO2 ) och kolmonoxid (CO), som är avgörande för framväxande ren energiteknik.
Spektroskopi låter forskare se hur elektroner interagerar med atomerna de avbildar, se hur de absorberar, reflekterar eller avger specifika energier samtidigt som de avslöjar ett unikt spektroskopi-fingeravtryck.
Att utveckla en metod för att analysera hur saker förändras med tid, tryck och temperatur och se hur vätskor interagerar med nanopartiklar är avgörande för framväxande ren energi och batteriteknologier på molekylär nivå. Med detta nya framsteg kan tillämpad teknik som solceller och katalytiska energisystem analyseras bättre på nano- och elektroniska längdskalor.
"Det ultratunna keramiska membranet kan appliceras på bredare disciplin, inte bara begränsat till elektronmikroskopi," sa Hu. "Till exempel förväntas bättre resultat för ljus- eller röntgenkarakteriseringar. Och strategin kan utökas kraftigt för membran och mekaniska komponenter som kräver låg tjocklek men hög mekanisk hållfasthet."
Med den nya tekniken kan forskare se upplösningar ner till cirka 1,02 ångström, jämfört med cirka 2,36 ångström i tidigare experiment. Teamet sa att de har uppnått den högsta rumsliga upplösningen och spektrala synligheten som registrerats i deras område hittills.
Utöver mikroskop hoppas teamet kunna tillämpa sin plattformsteknik på andra problem, eftersom tekniken för inkapsling kan tillämpas på vilket mikrochip eller optiskt baserad teknik som helst.
"I vilket område som helst är tunnare bättre eftersom du får mindre information från den tjocka behållaren jämfört med själva föremålet inuti," sa Koo.
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
Tillhandahålls av Northwestern University
