Professor Frances Ross trad dit najaar toe tot het MIT Department of Materials Science and Engineering na een carrière in het ontwikkelen van technieken die materiaalreacties onderzoeken terwijl ze plaatsvinden. Voorheen bij het IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York, Ross brengt haar expertise in het toepassen van transmissie-elektronenmicroscopie naar MIT om te begrijpen hoe nanostructuren in realtime worden gevormd en om de gegevens uit dergelijke films te gebruiken om nieuwe structuren en groeipaden te ontwikkelen.

Vraag:Welke inzichten krijgen we door het observeren van kristalstructuren op nanoschaal in realtime die werden gemist toen observatie beperkt was tot het analyseren van structuren pas na hun vorming?

A:Een film opnemen van iets dat groeit, in plaats van beelden voor en na de groei, heeft vele opwindende voordelen. De film geeft ons een continu beeld van een proces, die de volledige evolutie laat zien. Dit kan gedetailleerde informatie bevatten, zoals de groeisnelheid van een individueel nanokristal. Door een continu beeld op te nemen, is het gemakkelijker om een ​​snelle kiemvorming of een echt kortstondige tussenvorm te vangen, wat vaak heel onverwacht kan zijn. De film geeft ons ook een kijkje in het gedrag van materialen onder reële verwerkingsomstandigheden, de veranderingen vermijden die gewoonlijk optreden wanneer u de groei stopt om u voor te bereiden op analyse na de groei. En tenslotte, het is mogelijk om een ​​enkel object te laten groeien en vervolgens de eigenschappen ervan te meten, zoals de elektrische geleidbaarheid van een nanodraad of het smeltpunt van een nanokristal. Het verkrijgen van dergelijke informatie brengt natuurlijk een grotere experimentele complexiteit met zich mee, maar de resultaten maken deze extra inspanning de moeite waard, en we vinden het erg leuk om deze experimenten te ontwerpen en uit te voeren.

V:Wat zal jouw rol zijn om deze technieken verder te brengen via de nieuwe MIT.nano-faciliteit?

A:MIT.nano heeft een aantal zeer rustige kamers beneden. De kamers zijn ontworpen om een ​​stabiele temperatuur te hebben en trillingen en elektromagnetische velden uit de omgeving te minimaliseren, inclusief de nabijgelegen T-lijn [metro]. Ons plan is om een ​​van deze kamers te gebruiken voor een unieke nieuwe elektronenmicroscoop. Het zal worden ontworpen voor groei-experimenten waarbij tweedimensionale materialen worden gebruikt:niet alleen het beroemde grafeen, maar ook andere. We zijn van plan om groeireacties te bestuderen waarbij 'conventionele' (driedimensionale) nanokristallen groeien op tweedimensionale materialen - een noodzakelijke stap om volledig gebruik te maken van de interessante nieuwe mogelijkheden die tweedimensionale materialen bieden. Groeireacties met tweedimensionale materialen zijn moeilijk te bestuderen met onze bestaande apparatuur omdat de materialen worden beschadigd door de elektronen die voor beeldvorming worden gebruikt. De nieuwe microscoop zal elektronen met een lagere spanning gebruiken en zal een hoog vacuüm hebben voor nauwkeurige controle van de omgeving en mogelijkheden voor het uitvoeren van groei en andere processen met behulp van reactieve gassen. Deze microscoop zal ook gunstig zijn voor groeistudies in veel andere materialen. Maar niet elk experiment vereist zulke ultramoderne apparatuur, en we zijn ook van plan nieuwe capaciteiten te ontwikkelen, vooral voor het kijken naar reacties in vloeistoffen, in de microscopen die al in gebouw 13 staan.

Vraag:Welke technologieën zullen het meest onmiddellijk profiteren door verbeterde observatie van structuurvorming op nanoschaal?

A:Ik denk dat elke nieuwe manier om naar een materiaal of een proces te kijken de neiging heeft om een ​​veel groter gebied te beïnvloeden dan je in eerste instantie denkt. Het was heel spannend om te zien hoeveel gebieden gebruik hebben gemaakt van de kansen die dit soort groei-experimenten biedt. Groeiprocessen in vloeistoffen hebben al katalysatoren in actie onderzocht, biomineralisatie, vloeistoffysica (zoals bellen op nanoschaal), corrosie, en materialen voor oplaadbare batterijen. Sommige biologische, geologisch, of atmosferische processen zullen uiteindelijk ook profiteren van dit type microscopie. Groeireacties met gassen zijn bijzonder goed geschikt om (opnieuw) vragen bij katalyse aan te pakken, dunne films en coatings, verwerking voor micro-elektronica, structuren die worden gebruikt in solid-state verlichting, en een verscheidenheid aan andere technologiegebieden. Onze benadering was om relatief eenvoudige materialen te kiezen die nuttige toepassingen hebben:silicium, germanium, koper, maar gebruik dan de experimenten om de fundamentele fysica te onderzoeken die ten grondslag ligt aan de reactie van de materialen en kijk hoe dat ons zou kunnen leren hoe we complexere structuren kunnen bouwen. Hoe eenvoudiger en algemener het model is dat onze waarnemingen verklaart, hoe gelukkiger we zijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.