De siliciumnitridefilm, die als inkapselingsmembraan dient, kan gemakkelijk worden geproduceerd met een dikte in het bereik van enkele tientallen nanometers met behulp van een chemisch dampdepositieproces. Deze films vertonen een redelijke veerkracht tegen mechanische schokken, vooral als ze meer dan een bepaalde dikte hebben, hoewel er een wisselwerking bestaat met de transparantie van elektronen.

Analoog aan een aquarium met een glazen wand van enkele meters dik, die robuust genoeg kan zijn om grote hoeveelheden water te bevatten, wordt het maximaliseren van de zichtbaarheid door het glas een uitdaging. Daarom is het ontwerpen van de "muur" cruciaal voor het garanderen van optimaal zicht in zowel aquaria als de vloeistofcontainer voor ACEM.

Om deze uitdaging aan te gaan, halen we inspiratie uit de bijenkorf, een structuur die hoge mechanische spanningen kan weerstaan ​​en toch minimaal materiaal gebruikt. Onze oplossing omvat het creëren van een ruimtevullend zeshoekig ondersteuningssysteem met behulp van zwaar gedoteerd silicium onder het ultradunne siliciumnitride, waarbij dit wordt bereikt met slechts 1/5 van de dikte van de conventionele methode.

De bijenkorfachtige structuur maximaliseert de opening voor het observeren van de reacties en zorgt voor optimale sterkte onder mechanische belasting. Dankzij deze ultradunne doorbraak kan het membraan worden verdund tot op nanometerschaal, ongeveer 1/10.000ste van de dikte van een mensenhaar, zonder dat er breuken of lekkages in de microscoop optreden.

De transparantie van het ultradunne membraan maakt het in kaart brengen van vloeistoffen mogelijk met een ruimtelijke resolutie van minder dan nanometer en een aanzienlijke onderdrukking van de nadelige elektronenverstrooiing, een mogelijkheid die niet haalbaar is met conventionele omhullende materialen. Deze doorbraak maakt gevoeligheid in de gasfase mogelijk in die mate dat een handvol gasmoleculen in de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) kan worden gedetecteerd. Dit gevoeligheidsniveau maakt het mogelijk reacties vast te leggen die plaatsvinden op het grensvlak tussen gas en vaste stof met een tijdresolutie op microsecondenschaal.

Als illustratief voorbeeld visualiseren we het inbrengen van waterstofatomen in palladiummetaal onder omgevingstemperatuur en druk. Deze technologie biedt een enorm potentieel voor het ontwikkelen en onderzoeken van nanokatalysatoren voor het afvangen van koolstof in de gasfase, maar ook voor energiematerialen zoals brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, waardoor inzichten op atomaire schaal worden verkregen. Ons werk is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Hoewel we op een andere schaal en reikwijdte opereren, trekken we een parallel tussen deze ontwikkeling en de baanbrekende mogelijkheden van de James Webb Space Telescope (JWST), die ongekende beelden en gegevens levert die kosmologische theorieën uitdagen. Bovendien stellen we voor dat deze innovatieve strategie voor het ontwerpen van microchips met ultradunne membranen kan worden uitgebreid naar verschillende toepassingen waarbij de dunne membranen dienen als inkapselingen en/of ondersteunende materialen, met implicaties die verder reiken dan het gebied van de nanowetenschappen.

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.

Meer informatie: Kunmo Koo et al, Ultradunne siliciumnitride-microchip voor in situ/operandomicroscopie met hoge ruimtelijke resolutie en spectrale zichtbaarheid, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Dr. Kunmo Koo is onderzoeksmedewerker bij het NUANCE Center. Dr. Xiaobing Hu is universitair hoofddocent bij de afdeling materiaalkunde en techniek en TEM Facility Manager bij het NUANCE-centrum. Dr. Vinayak P. Dravid is de Abraham Harris hoogleraar Materials Science and Engineering en oprichter en directeur van het NUANCE Center.