Röntgenstralen worden al lang gebruikt om foto's te maken van kleine objecten, zelfs enkele atomen. Nu heeft een team van wetenschappers een nieuwe toepassing voor röntgenstraling op atomaire schaal ontdekt:ze gebruiken als een radarkanon om de beweging en snelheid van complexe en rommelige groepen atomen te meten.

"Het lijkt een beetje op een snelheidscontrole van de politie - voor atomaire en nanoschaaldefecten, " zegt Randall Headrick, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Vermont die het onderzoeksteam leidde. De nieuwe techniek werd op 28 maart gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica .

KLEINE PORIN

Röntgenstralen hebben een groot vermogen om naar binnen te kijken. Het is niet alleen Superman; wetenschappers zijn dichter bij wat sciencefiction lijkt, het trainen van röntgenstralen op kleine objecten, inclusief DNA-ketens, virussen, en individuele atomen. Maar terwijl ze de structuur van steeds kleinere dingen onderzoeken, de willekeurige rangschikking van die objecten maakt het steeds moeilijker om ze van elkaar te onderscheiden. Een al lang bestaand probleem is dat voor goede röntgenfoto's bijna perfecte kristallen nodig zijn - identieke objecten in een precieze volgorde. Op de schaal van atomen, complexe en ongeordende objecten - zoals de dunne films die worden gebruikt om het scherm van een mobiele telefoon te maken of de metalen lagen die in elektronische circuits worden gebruikt - geven een wazig röntgenbeeld. "Het is alsof je veel verschillende gezichten samenvoegt in een samengesteld beeld, "Hoofdrik zegt, "of proberen te zien hoe een gemiddelde auto eruitziet door het verkeer langs een snelweg te zien razen."

Bij een nieuwe aanpak Headrick en de andere wetenschappers, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie, leg orde op de röntgenfoto's als er geen orde is in waar ze naar kijken. Ze gebruikten coherente röntgenstralen (denk aan röntgenstralen die reizen in een fanfare) om een ​​deel van de informatie van hun foto te herstellen. Zoals een radar de snelheid van een persoon op de snelweg bepaalt, ze visten de verschillende snelheden van kleine groepen atomen uit het bulk röntgensignaal dat ze op een stroom bewegende atomen scheen. En in dat nieuwe soort röntgenfoto, ze ontdekten holtes en kleine poriën die zich vormen bij het maken van twee soorten dunne films met silicium en wolfraam - en hoe die holtes en poriën bewegen.

Hun ontdekking belooft de industriële technieken te verbeteren om soepeler, meer perfecte dunne films - die duizenden commerciële toepassingen hebben, van zonnepanelen tot systemen voor medicijnafgifte, computerchips tot chipszakken.

Maar veel belangrijker, Headrick merkt op, het onderzoek opent een nieuwe manier om vele soorten complexe klompjes atomen in beweging te zien, niet alleen nette kristallen.

"We kunnen deze defecten op nanoschaal in de film zien ontstaan ​​terwijl ze worden gemaakt, ", zegt Headrick. De wetenschappers waren verrast dat ze niet alleen de oppervlakteruwheid van de film konden zien, maar maar ook de binnenstructuur. Dit is belangrijk omdat de kwaliteit van dunne films sterk kan worden beïnvloed door de dynamische relatie tussen hoe ze aan het oppervlak groeien - vaak worden ze gespoten of in een vacuüm neergeslagen - en de structuur van atomen die zich onder het oppervlak vormen.

"We ontdekken dat er twee soorten defecten zijn, "Headrick merkt op, "een type dat met het oppervlak meebeweegt en waarvan wordt gedacht dat het nanokolommen zijn die met het oppervlak meegroeien - en een ander type dat holtes zijn die niet met het oppervlak meegroeien."

LIKE BIER

Om deze twee soorten defecten te begrijpen, schenk jezelf een glas bier in en kijk naar de bubbels. Sommigen bewegen zich in dunne lijnen door de vloeistof, omhoog reizen terwijl de bovenkant van het bier ook stijgt. andere bubbels, gevangen in het schuimige hoofd, worden op hun plaats geplakt terwijl er meer schuim op de stapel ligt.

Stel je nu voor dat deze bellen eigenlijk enkele atomen zijn. De lijnen van bellen die omhoog bewegen terwijl het bier wordt ingeschonken, zijn als de nanokolommen van atomen die Headrick en het team observeerden met de nieuwe röntgentechniek. De holtes in de film zijn als de bubbels die in het bierschuim zijn opgesloten.

De hoofdauteur van het papier is Headricks afgestudeerde student, Jeffrey Ulbrandt. Samen, ze werkten samen met onderzoekers van de Boston University, waaronder natuurkundige Karl Ludwig, en wetenschappers van het Argonne National Laboratory, om de ontdekking te doen. Met behulp van een grote machine genaamd een synchrotron bij Argonne's Advanced Photon Source, ze waren in staat om zeer georganiseerde golven van röntgenstralen op de films te richten. Afgebeeld met deze coherente röntgenstralen, ongeordende objecten - zoals het ruwe oppervlak en de warrige binnenkant van een siliciumfilm - kunnen worden waargenomen in een complex patroon van spikkels dat op de röntgendetector wordt gemaakt. "Dit spikkelpatroon bevat gedetailleerde informatie over de vormen en afstanden van de verzameling objecten, ' legt Headrick uit.

Röntgenafstemming

Deze coherente röntgenstralen kunnen ook beweging waarnemen, het volgen van wiebelende en zwermende groepen atomen die onafhankelijk en grillig bewegen. De nieuwe studie duwt dat besef naar voren. De wetenschappers namen een verstrooide golf van röntgenstralen die weerkaatsten op het ruwe oppervlak van de dunne film die in een vacuümkamer werd afgezet - en vermengden deze met een verstrooide golf van röntgenstralen die van de ongeordende defecten - de nanokolommen en holtes - zich vormden op en onder het oppervlak van de film.

Deze twee gemengde golven werken een beetje als een radarkanon. De golven van het oppervlak vormen een snelheidsreferentie - terwijl de ondergrondse golven een veel kleiner signaal vormen dat in deze referentiegolf wordt gemengd. De wetenschappers keken naar het gespikkelde patroon van röntgenstralen die van het groeiende oppervlak van de dunne films werden verstrooid, dikker worden met een bekend tempo. Vervolgens maten ze hoe dit gespikkelde patroon oscilleerde bij interactie met de röntgenstralen die terugkaatsten op de defecten en het interieur. Deze trillingen ("zoals een trillende stemvork, "zegt Headrick) worden veroorzaakt door atomen die verschillende snelheden hebben - wat het team een ​​gevoelige maat gaf van de relatieve snelheden van bewegende atomen. Maar in plaats van 55 mph, het dunne filmoppervlak groeit met een paar Angstrom per seconde. Sommige gebreken groeien mee, terwijl anderen achterblijven in het nanostof.

"Dit is een nieuw röntgeneffect, "Randy Headrick zegt, "waardoor we ongeordende materie in beweging kunnen voelen - op atomaire schaal."