Udbredt ingeniørteknik har utilsigtede konsekvenser, ny forskning afslører

En teknik, der revolutionerede forskernes evne til at manipulere og studere materialer på nanoskala, kan have dramatiske utilsigtede konsekvenser, ny forskning fra Oxford University afslører.

Focused Ion Beam Milling (FIB) bruger en lille stråle af stærkt energiske partikler til at skære og analysere materialer, der er mindre end en tusindedel af et stativ af menneskehår.

Denne bemærkelsesværdige evne transformerede videnskabelige felter lige fra materialevidenskab og teknik til biologi og jordvidenskab. FIB er nu et vigtigt værktøj til en række applikationer, herunder; forskning i højtydende legeringer til rumfartsteknik, atom- og bilapplikationer og til prototyper inden for mikroelektronik og mikrofluidik.

FIB forstod tidligere at forårsage strukturelle skader inden for et tyndt overfladelag (titalls atomer tykke) af det materiale, der skæres. Indtil nu blev det antaget, at virkningerne af FIB ikke ville strække sig ud over dette tynde beskadigede lag. Banebrydende nye resultater fra University of Oxford viser, at dette ikke er tilfældet, og at FIB i virkeligheden dramatisk kan ændre materialets strukturelle identitet. Dette arbejde blev udført i samarbejde med kolleger fra Argonne National Laboratory, USA, LaTrobe University, Australien, og Culham Center for Fusion Energy, Storbritannien.

I forskning nyligt offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , teamet undersøgte skaden forårsaget af FIB ved hjælp af en teknik kaldet kohærent synkrotron røntgendiffraktion. Dette afhænger af ultralette højenergirøntgenstråler, kun tilgængelig på centrale faciliteter såsom Advanced Photon Source på Argonne National Lab, USA. Disse røntgenstråler kan undersøge 3D-strukturen af ​​materialer på nanoskalaen. Resultaterne viser, at selv meget lave FIB -doser, tidligere antaget ubetydelig, have en dramatisk effekt.

Felix Hofmann, Lektor i Oxfords Institut for Ingeniørvidenskab og hovedforfatter på undersøgelsen, sagde, "Vores forskning viser, at FIB-bjælker har meget mere vidtrækkende konsekvenser end først antaget, og at den forårsagede strukturelle skade er betydelig. Det påvirker hele prøven, grundlæggende ændring af materialet. I betragtning af den rolle, FIB er kommet til at spille inden for videnskab og teknologi, der er et presserende behov for at udvikle nye strategier for korrekt at forstå virkningerne af FIB -skader og hvordan den kan kontrolleres. "

Inden udviklingen af ​​FIB, prøveforberedelsesteknikker var begrænsede, tillader kun, at sektioner fremstilles ud fra materialemassen men ikke fra specifikke funktioner. FIB transformerede dette felt ved at gøre det muligt at skære små kuponer fra bestemte websteder i et materiale. Denne progression gjorde det muligt for forskere at undersøge specifikke materialefunktioner ved hjælp af elektroner i mikroopskrifter i høj opløsning. Desuden har det muliggjort mekanisk afprøvning af bittesmå materialeprøver, en nødvendighed for undersøgelse af farlige eller ekstremt dyrebare materialer.

Selvom han var ivrig efter at hans kammerater skulle tage hensyn til den alvorlige konsekvens af FIB, Professor Hofmann sagde, "Det videnskabelige samfund har været opmærksom på dette problem i et stykke tid nu, men ingen (inklusive mig selv) indså omfanget af problemet. Der er ingen måde, vi kunne have vidst, at FIB havde sådanne invasive bivirkninger. Teknikken er en integreret del af vores arbejde og har transformeret vores tilgang til prototyping og mikroskopi, fuldstændig ændring af den måde, vi laver videnskab på. Det er blevet en central del af det moderne liv. "

Bevæger sig fremad, teamet er ivrig efter at udvikle opmærksomhed på FIB -skader. Desuden, de vil bygge videre på deres nuværende arbejde for at få en bedre forståelse af den dannede skade, og hvordan den kan fjernes. Professor Hofmann sagde, "Vi lærer at blive bedre. Vi er gået fra at bruge teknikken blindt, til at finde ud af, hvordan vi rent faktisk kan se de forvrængninger, der forårsages af FIB. Dernæst kan vi overveje metoder til at afbøde FIB -skader. Det er vigtigt, at de nye røntgenteknikker, vi har udviklet, giver os mulighed for at vurdere, hvor effektive disse tilgange er. Ud fra disse oplysninger kan vi derefter begynde at formulere strategier for aktivt at håndtere FIB -skader. "