Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om gasmoleculen te huisvesten terwijl ze in realtime worden geanalyseerd, waarbij ze honingraatstructuren uit de natuur gebruiken als inspiratie voor een ultradun keramisch membraan dat ze hebben ingebouwd om het monster te omhullen.

Naast het afleiden van de kenmerken van gasatomen via hun unieke bindingen, werkt de inkapselingsstrategie binnen hoogvacuümtransmissie-elektronenmicroscopen (TEM's) om de beeldvorming van vaste nanostructuren te verbeteren. Deze tools kunnen over de hele linie worden gebruikt, van nationale laboratoria die fundamenteel onderzoek uitvoeren tot innovatieve start-ups die praktische toepassingen creëren.

Wanneer elektronen zich van hun oorspronkelijke pad verstrooien terwijl ze door een monster gaan, nemen de beeldresolutie en het contrast af. De resulterende siliciumnitride-microchip, ontworpen door een team materiaalwetenschappers van Northwestern, minimaliseerde achtergrondverstrooiing.

"Ons team heeft een membraan ontwikkeld dat zo dun is dat elektronen met minimale afleiding door de nanoreactor kunnen gaan", zegt materiaalwetenschapper Vinayak Dravid. "We hebben een ultradunne siliciumnitridefilm op ons honingraatraamwerk verankerd, waardoor we een cel krijgen met aan weerszijden membranen."

Het artikel werd op 17 januari gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Dravid, een auteur van het artikel, is de Abraham Harris hoogleraar Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering in Northwestern en de oprichter en directeur van het NUANCE Center, waar het werk werd uitgevoerd. Hij is ook adjunct-directeur van mondiale initiatieven bij het International Institute for Nanotechnology.

Samen met Xiaobing Hu, co-corresponderend auteur en onderzoekshoofddocent binnen de afdeling materiaalkunde en engineering, en Kunmo Koo, eerste auteur en onderzoeksmedewerker bij het NUANCE Center, ontwikkelde het Dravid-onderzoeksteam het platform voor gascellen met behulp van een membraan. -vijfde zo dik als in de handel verkrijgbare microchips.

Opvallend waren de voor-en-na-beelden die de reacties lieten zien.

"De dikte van de conventionele membranen heeft de neiging erg groot te zijn om de mechanische integriteit te behouden onder het extreem hoge vacuüm dat de microscoop creëert," zei Dravid. "Stel je voor dat ik een heel dikke bril nodig heb die veel licht absorbeert en daardoor zie ik niet veel. De beelden die we met onze uitvinding hebben gemaakt, zien er bijna uit als het ontwasemen van de bril."

Dravid vergeleek het verschil met dat van de James Webb-ruimtetelescoop, waarin voorheen onzichtbare lichamen in beeld kwamen. Belangrijk is dat het membraan het team in staat stelde spectroscopie te gebruiken om een ​​analyse uit te voeren ‘tot op een handvol gasatomen’, waarbij bijvoorbeeld een verschil kon worden onderscheiden tussen voorheen identiek ogende moleculen zoals kooldioxide (CO₂ ) en koolmonoxide (CO), die van cruciaal belang zijn in de opkomende technologieën voor schone energie.

Met spectroscopie kunnen onderzoekers zien hoe elektronen interageren met de atomen die ze in beeld brengen, en zien hoe ze specifieke energieën absorberen, reflecteren of uitstralen, terwijl ze een unieke spectroscopie-vingerafdruk onthullen.

Het ontwikkelen van een methode om te analyseren hoe dingen veranderen met de tijd, druk en temperatuur en om te zien hoe vloeistoffen interageren met nanodeeltjes is van cruciaal belang voor de opkomende schone energie- en batterijtechnologieën op moleculair niveau. Met deze nieuwe vooruitgang kunnen toegepaste technologieën zoals fotovoltaïsche energie en katalytische energiesystemen beter worden geanalyseerd op nano- en elektronische lengteschalen.

"Het ultradunne keramische membraan kan worden toegepast op een bredere discipline, en niet alleen beperkt tot elektronenmicroscopie", zei Hu. "Er worden bijvoorbeeld betere resultaten verwacht voor licht- of röntgenkarakteriseringen. En de strategie kan op grote schaal worden uitgebreid voor diafragma's en mechanische componenten die een lage dikte maar een hoge mechanische sterkte vereisen."

Met de nieuwe techniek kunnen onderzoekers resoluties bereiken tot ongeveer 1,02 angstrom, vergeleken met ongeveer 2,36 angstrom in eerdere experimenten. Het team zei dat ze de hoogste ruimtelijke resolutie en spectrale zichtbaarheid tot nu toe in hun vakgebied hebben bereikt.

Naast microscopen hoopt het team hun platformtechnologie ook op andere problemen toe te passen, aangezien de techniek van inkapseling van toepassing zou kunnen zijn op elke microchip of op optische techniek gebaseerde techniek.

"Op elk gebied is dunner beter omdat je minder informatie uit de dikke container haalt vergeleken met het binnenobject zelf," zei Koo.

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

Aangeboden door Northwestern University