I en överraskande ny studie har forskare vid University of Minnesota Twin Cities funnit att elektronstrålningen som de tidigare trodde att nedbrutna kristaller faktiskt kan reparera sprickor i dessa nanostrukturer.

Den banbrytande upptäckten ger en ny väg för att skapa mer perfekta kristallnanostrukturer, en process som är avgörande för att förbättra effektiviteten och kostnadseffektiviteten hos material som används i praktiskt taget alla elektroniska enheter vi använder varje dag.

"Under lång tid trodde forskare som studerade nanostrukturer att när vi placerade kristallerna under elektronstrålning för att studera dem så skulle de brytas ned", säger Andre Mkhoyan, professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota och ledande forskare i studien. . "Vad vi visade i den här studien är att när vi tog en kristall av titandioxid och bestrålade den med en elektronstråle, fylldes de naturligt förekommande smala sprickorna faktiskt ut och läkte sig själva."

Forskarna råkade snubbla på upptäckten när de använde University of Minnesotas toppmoderna elektronmikroskop för att studera kristallerna av en helt annan anledning.

"Jag studerade sprickorna i kristallerna under elektronmikroskopet och dessa sprickor fortsatte att fyllas ut", säger Silu Guo, doktorand i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota. studerande. "Det här var oväntat, och vårt team insåg att det kanske fanns något ännu större som vi borde studera."

I självläkningsprocessen rörde sig flera atomer av kristallen tillsammans i tandem och möttes i mitten och bildade en sorts bro som fyllde sprickan. För första gången visade forskarna att elektronstrålarna kunde användas konstruktivt för att konstruera nya nanostrukturer atom för atom.

"Oavsett om det är atomärt skarpa sprickor eller andra typer av defekter i en kristall, tror jag att det är inneboende i materialen vi har odlat, men det är verkligen häpnadsväckande att se hur professor Mkhoyans grupp kan laga dessa sprickor med en elektronstråle", säger University of Minnesota Chemical Engineering and Materials Science Professor Bharat Jalan, en samarbetspartner i forskningen.

Forskarna säger att nästa steg är att introducera nya faktorer som att ändra elektronstråleförhållandena eller ändra temperaturen på kristaller för att hitta ett sätt att förbättra eller påskynda processen.

"Först upptäckte vi, nu vill vi hitta fler sätt att konstruera processen," sa Mkhoyan.

Förutom Mkhoyan, Guo och Jalan inkluderade forskargruppen University of Minnesota Chemical Engineering and Materials Science Ph.D. student Sreejith Nair, och tidigare doktorand Hwanhui Yun.

Forskningen, "Lätta sprickor atom-för-atom i rutil TiO₂ med elektronstråleradiolys", publiceras i tidskriften Nature Communications .

Mer information: Silu Guo et al, Mending spricker atom-för-atom i rutil TiO₂ med elektronstråleradiolys, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41781-x

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of Minnesota