Het leven in de nanobaan is snel en is alleen maar sneller geworden in termen van kennis van fundamentele mechanismen die op nanoschaal werken - waar processen worden aangedreven door een dans van deeltjes zoals atomen en ionen van een miljardste meter groot.

Het bevorderen van begrip op nanoschaal, een team van Chinese onderzoekers heeft een visualisatietechniek ontwikkeld op basis van in situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) die nieuwe en krachtige functionaliteit biedt. Het correleert direct de structuur op atomaire schaal met fysische en chemische eigenschappen.

De onderzoekers leggen deze week in het tijdschrift uit hoe hun bevinding belangrijk is voor het ontwerp en de fabricage van de volgende generatie technologische apparaten Technische Natuurkunde Brieven . Dit werk heeft potentiële toepassingen die variëren van slimme ramen op basis van elektrochrome technologie die van tint veranderen wanneer een elektrisch veld op een raamoppervlak wordt toegepast, om de dekking te veranderen in reactie op spanning, tot nieuwe apparaten voor het beheer van energie, informatie en het milieu.

Onderzoeker Xuedong Bai, doctoraat, van het Nationaal Laboratorium voor Gecondenseerde Materie van Peking en het Instituut voor Natuurkunde, Chinese Wetenschapsacademie, en het Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, leidt een team dat ook samenwerkt met International Center for Quantum Materials, School voor natuurkunde, Peking Universiteit.

"Momenteel, het atomaire mechanisme van nieuwe apparaten voor energie, informatie- en milieutoepassingen is een belangrijk thema, " zei Bai. "De real-time beeldvorming van atomaire processen in fysische en chemische verschijnselen is de taak van de in situ TEM-techniek. Een doel van ons onderzoek is het begrijpen van de basisprincipes van de beschikbare apparaten op atomaire schaal, een andere is om de revolutionaire apparaten te verkennen op basis van de in situ TEM-beeldvorming van de atomaire processen."

In de Nobelprijswinnende TEM-technologie, een elektronenstraal - in plaats van een lichtstraal die in traditionele microscopen wordt gebruikt - wordt door een metalen exemplaar dat wordt bestudeerd, doorgelaten. Door de kleinere golflengten van elektronen, TEM-technologie biedt onderzoekers een veel hogere resolutie, zodat ze meer details kunnen zien dan mogelijk is met een lichtmicroscoop.

Bai benadrukt dat de relatie tussen structuur en eigendom een ​​fundamenteel belang is in de materiaalwetenschap. Echter, een beperking bij het onderzoeken van deze relatie is dat de karakterisering van de structuur en de eigenschapsmetingen meestal afzonderlijk worden uitgevoerd, volgens conventionele methoden, vooral voor de materialen op nanoschaal. Hun nieuwe zet omvatte het combineren van deze stappen.

"De afgelopen 15 jaar ons werk was gericht op de constructie en toepassingen van in situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -techniek, dus de eigenschappen op nanoschaal onder verschillende fysieke stimuli, inclusief elektrisch en optisch, zijn bestudeerd binnen TEM, ' zei Bai.

Vooral, het team concentreerde zich op een van de meest gebruikte elektrochemische materialen, wolfraamoxide, en een kritieke faseovergang van zijn productie. Met behulp van hun gestroomlijnde TEM-techniek in een elektrochemische cel, hun microscopische, dynamische waarnemingen onthulden realtime gedetailleerde mechanismen die betrokken zijn bij de vorming en evolutie van elektrochemische wolfraamoxide-nanodraden die veel toepassingen hebben in de industrie.

Een van de meest interessante aspecten van hun onderzoek was het onderzoeken van de ion-elektromigratieprocessen en hun geïnduceerde dynamische structurele transformatie. Ze ontdekten dat deze nauw verband houden met de elektrochemische prestaties, en kreeg inzicht in het brede potentieel voor in situ TEM-beeldvormingsonderzoeken.

"Nieuwe eigenschappen en belangrijke wetenschappelijke problemen kunnen worden onthuld door in situ TEM-beeldvorming, bijvoorbeeld, het elektrisch aangedreven redoxproces, de bezettingsplaats van lithiumatomen in de werking van lithium-ionbatterijen, en de massaoverdracht in de elektromechanische reactiecel, kunnen allemaal profiteren van in-situ TEM-beeldvorming, ' zei Bai.

Voor hun volgende stap, de onderzoekers breiden de in situ TEM-beeldvormingstechniek op atomaire schaal uit om deze te combineren met ultrasnelle optische spectroscopie. Met deze extensie, beeldvorming met hoge resolutie in zowel ruimte als tijd mogelijk zal zijn.