In een verrassend nieuw onderzoek hebben onderzoekers van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota ontdekt dat de elektronenbundelstraling waarvan ze eerder dachten dat het gedegradeerde kristallen zou zijn, daadwerkelijk scheuren in deze nanostructuren kan repareren.

De baanbrekende ontdekking biedt een nieuw pad om perfectere kristalnanostructuren te creëren, een proces dat cruciaal is voor het verbeteren van de efficiëntie en kosteneffectiviteit van materialen die worden gebruikt in vrijwel alle elektronische apparaten die we dagelijks gebruiken.

"Onderzoekers die nanostructuren bestuderen, dachten lange tijd dat als we de kristallen onder elektronenbundelstraling zouden plaatsen om ze te bestuderen, ze zouden afbreken", zegt Andre Mkhoyan, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota en hoofdonderzoeker in het onderzoek. . "Wat we in dit onderzoek hebben laten zien, is dat wanneer we een kristal van titaniumdioxide namen en het bestraalden met een elektronenbundel, de natuurlijk voorkomende smalle scheuren zich daadwerkelijk opvulden en zichzelf herstelden."

De onderzoekers kwamen per ongeluk op deze ontdekking terecht toen ze de ultramoderne elektronenmicroscoop van de Universiteit van Minnesota gebruikten om de kristallen te bestuderen, om een ​​heel andere reden.

"Ik bestudeerde de scheuren in de kristallen onder de elektronenmicroscoop en deze scheuren bleven zich opvullen", zegt Silu Guo, Ph.D. student. "Dit was onverwacht en ons team besefte dat er misschien iets nog groters was dat we moesten bestuderen."

Tijdens het zelfherstelproces bewogen verschillende atomen van het kristal zich samen en ontmoetten elkaar in het midden en vormden een soort brug die de scheur opvulde. Voor het eerst toonden de onderzoekers aan dat de elektronenbundels constructief konden worden gebruikt om nieuwe nanostructuren atoom voor atoom te ontwikkelen.

"Of het nu gaat om atomair scherpe scheuren of andere soorten defecten in een kristal, ik geloof dat het inherent is aan de materialen die we hebben gekweekt, maar het is werkelijk verbazingwekkend om te zien hoe de groep van professor Mkhoyan deze scheuren kan herstellen met behulp van een elektronenbundel", aldus de Universiteit van New York. Minnesota Chemical Engineering and Materials Science Professor Bharat Jalan, medewerker aan het onderzoek.

De onderzoekers zeggen dat de volgende stap het introduceren van nieuwe factoren is, zoals het veranderen van de omstandigheden van de elektronenbundel of het veranderen van de temperatuur van kristallen, om een ​​manier te vinden om het proces te verbeteren of te versnellen.

"Eerst ontdekten we, nu willen we meer manieren vinden om het proces te engineeren", zei Mkhoyan.

Naast Mkhoyan, Guo en Jalan bestond het onderzoeksteam uit Ph.D. student Sreejith Nair, en voormalig afgestudeerde student Hwanhui Yun.

Het onderzoek:"scheuren atoom voor atoom herstellen in rutiel TiO₂ met elektronenbundelradiolyse", is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Meer informatie: Silu Guo et al., Scheuren atoom voor atoom herstellen in rutiel TiO₂ met elektronenstraalradiolyse, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41781-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Minnesota