Een techniek die een revolutie teweegbracht in het vermogen van wetenschappers om materialen op nanoschaal te manipuleren en te bestuderen, kan dramatische onbedoelde gevolgen hebben. nieuw onderzoek van de universiteit van Oxford onthult.

Focused Ion Beam Milling (FIB) gebruikt een kleine straal van zeer energetische deeltjes om materialen kleiner dan een duizendste van een mensenhaar te snijden en te analyseren.

Dit opmerkelijke vermogen heeft wetenschappelijke gebieden getransformeerd, variërend van materiaalwetenschap en engineering tot biologie en aardwetenschappen. FIB is nu een essentieel hulpmiddel voor een aantal toepassingen, waaronder; onderzoek naar hoogwaardige legeringen voor lucht- en ruimtevaarttechniek, nucleaire en automobieltoepassingen en voor prototyping in micro-elektronica en microfluïdica.

Eerder werd aangenomen dat FIB structurele schade veroorzaakte binnen een dunne oppervlaktelaag (tientallen atomen dik) van het materiaal dat wordt gesneden. Tot nu toe werd aangenomen dat de effecten van FIB niet verder zouden reiken dan deze dunne beschadigde laag. Baanbrekende nieuwe resultaten van de Universiteit van Oxford tonen aan dat dit niet het geval is, en dat FIB in feite de structurele identiteit van het materiaal drastisch kan veranderen. Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking met collega's van Argonne National Laboratory, VS, LaTrobe-universiteit, Australië, en het Culham Center for Fusion Energy, VK.

In nieuw gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , het team bestudeerde de schade veroorzaakt door FIB met behulp van een techniek die coherente synchrotron-röntgendiffractie wordt genoemd. Dit is gebaseerd op ultraheldere röntgenstralen met hoge energie, alleen beschikbaar bij centrale faciliteiten zoals de Advanced Photon Source in het Argonne National Lab, VS. Deze röntgenstralen kunnen de 3D-structuur van materialen op nanoschaal onderzoeken. De resultaten laten zien dat zelfs zeer lage FIB-doses, voorheen verwaarloosbaar geacht, een dramatisch effect hebben.

Felix Hofmann, Universitair hoofddocent in Oxford's Department of Engineering Science en hoofdauteur van de studie, zei, "Ons onderzoek toont aan dat FIB-stralen veel verdergaande gevolgen hebben dan eerst werd gedacht, en dat de veroorzaakte structurele schade aanzienlijk is. Het beïnvloedt het hele monster, het materiaal fundamenteel veranderen. Gezien de rol die FIB is gaan spelen in wetenschap en technologie, er is een dringende behoefte om nieuwe strategieën te ontwikkelen om de effecten van FIB-schade goed te begrijpen en hoe deze kan worden gecontroleerd."

Voorafgaand aan de ontwikkeling van FIB, monstervoorbereidingstechnieken waren beperkt, alleen secties kunnen worden voorbereid uit de materiële bulk, maar niet van specifieke kenmerken. FIB heeft dit veld getransformeerd door het mogelijk te maken om minuscule coupons van specifieke sites in een materiaal uit te knippen. Deze progressie stelde wetenschappers in staat om specifieke materiaalkenmerken te onderzoeken met behulp van hoge resolutie elektronenmicroscopen. Bovendien heeft het mechanische testen van minuscule materiaalmonsters mogelijk gemaakt, een noodzaak voor de studie van gevaarlijke of uiterst kostbare materialen.

Hoewel hij graag wilde dat zijn collega's aandacht besteedden aan de ernstige gevolgen van FIB, Professor Hofmann zei:"De wetenschappelijke gemeenschap is zich al een tijdje bewust van dit probleem, maar niemand (inclusief ikzelf) realiseerde zich de omvang van het probleem. We hadden op geen enkele manier kunnen weten dat FIB zulke invasieve bijwerkingen had. De techniek is een integraal onderdeel van ons werk en heeft onze benadering van prototyping en microscopie getransformeerd, de manier waarop we wetenschap bedrijven volledig veranderen. Het is een centraal onderdeel van het moderne leven geworden."

Vooruit gaan, het team wil graag het bewustzijn van FIB-schade ontwikkelen. Verder, ze zullen voortbouwen op hun huidige werk om een ​​beter inzicht te krijgen in de gevormde schade en hoe deze kan worden verwijderd. Professor Hofmann zei:"We leren hoe we beter kunnen worden. We hebben de techniek niet meer blindelings gebruikt, om uit te zoeken hoe we de vervormingen die door FIB worden veroorzaakt, daadwerkelijk kunnen zien. Vervolgens kunnen we benaderingen overwegen om FIB-schade te beperken. Belangrijk is dat de nieuwe röntgentechnieken die we hebben ontwikkeld ons in staat zullen stellen om te beoordelen hoe effectief deze benaderingen zijn. Op basis van deze informatie kunnen we vervolgens strategieën gaan formuleren om FIB-schade actief te beheren."