(Phys.org) - Een krachtige atoomkrachtmicroscoop die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de studie van materialen bij hoge temperaturen en drukken, komt in beeld in een laboratorium van de Wright State University.

Steven Higgins en zijn team bouwen een nieuwe versie van de hydrothermale atoomkrachtmicroscoop, een instrument dat wetenschappelijke mysteries kan ontrafelen en kan worden gebruikt bij de studie van de olieproductie, hydrofracturering van gesteentelagen, opslag van radioactief afval en het opvangen en opslaan van atmosferische kooldioxide.

"Ik nam een ​​postdoc-positie aan aan de Universiteit van Wyoming die was gebouwd rond het bouwen van een van de allereerste hydrothermale atoomkrachtmicroscopen, " zei Higgins, doctoraat, hoogleraar scheikunde en associate director van Wright State's Environmental Sciences Ph.D. programma. "Sindsdien, Ik was geïnteresseerd in het bouwen van de volgende beste microscoop."

In tegenstelling tot een conventionele optische microscoop, de hydrothermale atoomkrachtmicroscoop bestaat uit een scherpe sonde die op het uiteinde van een cantilever is gemonteerd. De cantilever wordt een sensor wanneer de sonde in contact komt met het materiaal dat wordt bestudeerd, het creëren van een elektrisch signaal dat een beeld op een monitor creëert. De "atomaire kracht" van de microscoop komt van de interactie van de atomen van de sonde en het oppervlak.

Higgins hielp eind jaren negentig met het bouwen van zo'n microscoop. Het was in staat om oppervlakken af ​​te beelden bij temperaturen van 150 graden Celsius en drukken van 10 atmosfeer. De nieuwe versie zou het tot 250 graden Celsius en 80 atmosfeer brengen.

"Als we 250 graden kunnen halen, dat is echt fenomenaal, Higgins zei. "Dat plaatst deze microscoop ver boven de bestaande technologie. Er kan een bredere interesse van de onderzoeksgemeenschap zijn in een microscoop die in die omstandigheden kan werken."

Conventionele scanning-elektronenmicroscopen moeten normaal gesproken in een vacuüm worden gebruikt, meestal in de onwerkelijke wereld van een laboratorium. De hydrothermische microscoop kan kijken naar mineralen en andere vaste oppervlakken terwijl ze reageren met vloeistoffen in hun oorspronkelijke omgeving, een nauwkeuriger beeld geven.

Dit geeft de microscooptoepassingen in corrosiewetenschap en vorming van minerale aanslag, wat belangrijk is voor de olie-industrie.

"Net zoals een slagader na verloop van tijd verstopt raakt met tandplak, goed omhulsels hebben de neiging om verstopt te raken met minerale aanslag, Higgins zei. "Dat vermindert de productiviteit, verhoogt de kosten en resulteert uiteindelijk in het onvermogen om aardolie te winnen."

De microscoop wordt gebouwd door middel van een samenwerking met Oak Ridge National Laboratory, met een team van geowetenschappers die zich richten op hoge temperatuur, hogedrukreacties op grensvlakken met minerale vloeistoffen.

"Ze zijn geïnteresseerd in het naar een nieuw niveau brengen van hun instrumentarium, Higgins zei. "Ze worden gefinancierd om te kijken naar problemen die verband kunnen houden met hydrofracturering, opslag van radioactief afval, vastlegging van kooldioxide. Dit zijn geochemische problemen waar het Amerikaanse ministerie van Energie zich zorgen over maakt."

De microscoop kan ook helpen bij het beantwoorden van vragen die het begrip van de basiswetenschap zouden bevorderen.

"Hoe gedragen deze specifieke atomen zich op atomaire schaal bij deze temperaturen onder deze omstandigheden?" zei Higgins. "Dit type microscoop is echt ongeëvenaard in termen van zijn vermogen om vragen te beantwoorden die rond dat uitgangspunt kunnen worden geformuleerd. Af en toe, je leert iets dat vrij onverwacht is."

Higgins zei dat de fabrikanten van commerciële atomic force microscopen niet zo geïnteresseerd zijn in het verhogen van de doeltemperatuur.

"Dus we moeten ze zelf bouwen, "zei hij. "We moeten ze ontwerpen, we moeten ze testen, we moeten ze toepassen op onze eigen problemen."

Jacky Bracco, een doctoraat student milieuwetenschappen uit Atlanta, helpt bij het bouwen van de microscoop. Werktuigbouwkundige winkelsupervisor John Lawless en techniekstudent Matthew Pifher hebben er ook aan meegewerkt.

"De belangrijkste uitdaging is om de materialen die we in de oude iteraties gebruikten, te gebruiken bij de hogere temperaturen, ' zei Bracco.

Higgins zei dat het waarschijnlijk een jaar zal duren voordat zijn team weet of de nieuwe microscoop 250 graden kan bereiken.