En ny nanovetenskaplig studie ledd av en forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory tar en överblick över hur forskare studerar material i minsta skala.

Uppsatsen, publicerad i Science Advances , granskar ledande arbete inom underjordisk nanometri, vetenskapen om intern mätning på nanoskalanivå, och föreslår att kvantavkänning kan bli grunden för fältets nästa era av upptäckter. Potentiella tillämpningar kan sträcka sig från kartläggning av intracellulära strukturer för målinriktad läkemedelsleverans till att karakterisera kvantmaterial och nanostrukturer för utvecklingen av kvantberäkningar.

"Vårt mål var att definiera den senaste tekniken och att överväga vad som har gjorts och vart vi måste gå", säger Ali Passian, seniorforskare från ORNL och senior författare till studien.

"Alla vill veta vad som finns under ytan av material, men att ta reda på vad som verkligen finns där tenderar att vara otroligt utmanande i alla skala. Vi hoppas kunna inspirera en ny generation av forskare att ta sig an denna utmaning genom att utnyttja kvantfenomen eller vilka de mest lovande möjligheterna nu är. kan vara, så att vi kan tänja på gränserna för avkännings- och avbildningsvetenskap mot större upptäckter och förståelse."

Partiklar på nanoskala fungerar som byggstenarna i kvantvetenskapen - precis tillräckligt små för att göra det möjligt för forskare att justera materialegenskaper med maximal precision. En nanometer är lika med en miljarddels meter, en miljondels millimeter och en tusendels mikrometer. Det genomsnittliga pappersarket är till exempel cirka 100 000 nanometer tjockt.

Passian och medförfattare Amir Payam från Ulster University föreslår att nivån på nanoskala inte bara kan vara där intrikata molekylära sammansättningar av biologiska system som cellmembran bildas utan också där dimensionerna av framväxande material som metasytor och kvantmaterial stämmer överens. Än så länge är det en underutforskad möjlighet, avslutar de.

Banbrytande verktyg som skanningssondmikroskopet, som använder en sond med skarp spets för att inspektera prover på atomnivå, har hjälpt till att snabba på framsteg i nanometrin av ytor. Underjordiska studier har uppnått färre jämförbara genombrott, konstaterar författarna.

"Alla våra sinnen är inriktade på ytor," sa Passian. "Även om det fortfarande är svårt, har vi utökat vår räckvidd till nanoskalan genom att på något sätt störa materialet med hjälp av ljus, ljud, elektroner och små nålar. Men när vi väl är där är det fortfarande extremt utmanande att mäta vad som finns under. Vi behöver nya metoder som gör att vi kan titta in i dessa material samtidigt som de lämnas intakta kan kvantvetenskapen erbjuda möjligheter här, särskilt kvantavkänning, där till exempel sondens, ljusets och provets kvanttillstånd kan utnyttjas."

Författarna föreslår att kvantavkänningstekniker nu i de tidiga utvecklingsstadierna kan vara nyckeln till framsteg inom underjordisk utforskning. Kvantsonder, till exempel, skulle kunna använda skyrmioner – subatomära kvasipartiklar skapade av störningar i magnetfält och som redan övervägs för andra kvanttillämpningar – för att sondera djupare än vad någon nuvarande teknik tillåter.

"Människor arbetar hårt för att tänja på gränserna för detektion och skapa nya mätmetoder," sa Passian. "Jag tror att de närmaste åren kommer att bli spännande när det gäller materialisering och användarvänlig implementering av dessa tekniker för att uppnå kvantnanometrologi av ytor och underjordiska regioner."

Mer information: Amir Farokh Payam et al, Avbildning bortom ytområdet:Undersöka dolda material via atomkraftsmikroskopi, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory