(Phys.org) - Met een nieuwe techniek van Pacific Northwest National Laboratory en FEI Company kunnen wetenschappers de locaties van elementen efficiënt in drie dimensies oplossen. De techniek van het team combineert scanning-transmissie-elektronenmicroscopie en dispersieve röntgenspectrometrie met een nieuwe detectoropstelling en een helderdere elektronenstraal. Het resultaat is een driedimensionale kaart van de plaatsing van de elementen op een monster dat kleiner is dan een enkele bloedcel. Het team paste deze techniek toe op een lithiumrijk materiaal op nikkelbasis dat deel zou kunnen uitmaken van de batterijen van morgen. Ze ontdekten hoe nikkel zich afscheidde van andere elementen op het oppervlak van het materiaal.

"Deze techniek gaf ons onze snelste, schoonste uitzicht tot nu toe, " zei dr. Chongmin Wang, een materiaalwetenschapper bij het Chemical Imaging Initiative van het nationale laboratorium. "De krant blijkt populair; het is... Ultramicroscopie meest gedownloade artikel in de afgelopen 90 dagen."

wetenschappers, samen met de rest van de bevolking, willen snel en nauwkeurig antwoorden, zodat ze zich kunnen concentreren op wat het belangrijkst is. De techniek van het team levert nauwkeurige 3D-chemische beelden in uren, geen dagen, en vermijdt de tijd en kosten van het hervormen van monsters en het transporteren ervan naar andere instrumenten. De informatie die door deze techniek wordt gegenereerd, kan helpen bij het opzettelijk, versus vallen en opstaan, materiaalontwerp van duurzamer, batterijen met een hogere capaciteit.

De methode van het team combineert ringvormige donkerveld-scanning transmissie-elektronenmicroscopie met een hoge hoek met dispersieve röntgenspectrometrie. De microscopie geeft gedetailleerde informatie over complexe architecturen, terwijl de spectrometrie de elementaire verdeling verschaft.

Voor de spectrometrie is het team plaatste vier raamloze siliciumdriftdetectoren rond het monster. De detectoren, met verbeterde kantelrespons, snel het monster gescand. Omdat de elektronenbundel niet langer dan 25 microseconden op één plek bleef, de wetenschappers vermeden "parkeerproblemen", waar de elektronenstraal op een enkele plek blijft hangen en het monster beschadigt. De scans van de vier detectoren werden gecombineerd en samengevoegd met de microscopie-informatie met behulp van gespecialiseerde software.

Deze techniek is sneller en biedt een breder gezichtsveld dan meer traditionele 3D-technieken zoals scanning-elektronenmicroscopie in combinatie met elektronen-energieverliesspectrometrie of atoomprobe-tomografie. Over 3 uur, het team verkreeg datasets van 29 microscopiebeelden en elementaire kaarten. Andere technieken kunnen tot een dag duren en geven niet zo'n duidelijk beeld. Verder, dit enkele instrument biedt een breder veld dan vergelijkbare chemische technieken en stelt wetenschappers in staat om individuele deeltjes te zien zonder extra voorbereiding die de oorspronkelijke structuur zou kunnen wijzigen.

"Het is nu mogelijk om 3D-samenstellingskaarten te verkrijgen van nanodeeltjes in hun oorspronkelijke staat en de totale tijd voor het reconstrueren van chemische informatie te verminderen, " zei dr. Libor Kovarik, een PNNL-wetenschapper in het team.

Het team blijft onderzoeken hoe elementen aggregeren en drijven in lithium-ionbatterijen en andere materialen voor energieopslag. In aanvulling, ze verfijnen hun chemische beeldvormingstechnieken, streven naar betere manieren om gedetailleerde informatie te verzamelen.