Pulserende elektronstråler kaster lys over plastproduktion

Plast er overalt omkring os - det udgør vores vandflasker, affaldssække, pakkematerialer, legetøj, containere, og mere. Der produceres omkring 300 millioner tons plastik på verdensplan hvert år, endnu er detaljerne om, hvad der foregår på atomær skala under plastproduktionsprocessen, stadig uklare.

Nu, en ny teknik udviklet af forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbejde med Dow og Eindhoven University of Technology i Holland, leverer detaljer om atomopløsning om magnesiumchlorid, et materiale involveret i produktionen af ​​den mest almindelige plastik, polyethylen – og kunne være med til at skabe en vej mod bæredygtig plast. Deres resultater blev rapporteret i Avancerede funktionelle materialer .

Forskerne brugte pulserende elektronstråler i et elektronmikroskop til at producere de første af deres slags billeder af magnesiumchlorid. En kontinuerlig elektronstråle beskadiger hurtigt denne sarte, strålefølsomt materiale, men den nye teknik gjorde det muligt for forskerne at studere det uden skade.

"Hvis du havde spurgt mig for 10 år siden, om vi kunne bruge pulserede elektronstråler til at afbilde strålefølsomme materialer med atomopløsning, Jeg ville ikke have troet det, " sagde Christian Kisielowski, hovedforfatter af undersøgelsen og stabsforsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, en videnskabelig brugerfacilitet i nanoskala. "Nu er det muligt, og det har givet os mulighed for at studere et vigtigt materiale til plastindustrien."

Kisielowski tilføjede, at dette er en game changer til billeddannelse af en bred vifte af materialer, der normalt er beskadiget inde i et elektronmikroskop. Udover magnesiumchlorid, for eksempel, pulserede elektronstråler kunne også bruges til at studere bløde membraner og plast generelt.

Fokus på en ny vej mod bæredygtig plast

Selvom magnesiumchlorid er meget udbredt som støttestruktur til katalysatorer (materialer, der fremskynder reaktioner), der bruges til at fremstille plast, den nøjagtige måde, hvorpå det fungerer, forbliver et mysterium. Atomiske billeder af magnesiumchlorid ville hjælpe med at tydeliggøre dets rolle i plastproduktion og kunne hjælpe med at bane vejen for mere specialiseret og bæredygtig plast.

Desværre, tidligere forsøg på at afbilde dette kritiske materiale har været vanskelige, fordi magnesiumchlorid kan eksistere i to typer krystalstrukturer, der har lidt forskellige arrangementer af atomer. "Selve elektronstrålen påvirker materialets struktur, gør det svært at fortolke, hvilken struktur der afbildes, " sagde Kisielowski. "Ved at arbejde med vores samarbejdspartnere, vi var i stand til at pirre forskellige interaktioner."

Berkeley Lab-teamet samarbejdede med Eindhoven University of Technology og Dow om at udvikle en teknik, der leverer periodiske pulser af elektroner i stedet for en kontinuerlig elektronstråle til at afbilde magnesiumchlorid. Ved hjælp af et modificeret elektronmikroskop i Eindhoven, forskerne fandt ud af, at ved at pulsere elektronstrålen som et ekstremt hurtigt stroboskoplys med en puls hvert 160. picosekund (1 picosekund er en trilliontedel af et sekund), materialet kan i det væsentlige "hele" sig selv mellem pulser.

Det har været velforstået, at prøver bliver beskadiget i et elektronmikroskop, når atomer bliver slået ud af position, eller molekyler opdeles i mindre partikler. Gennem denne undersøgelse, forskerne lærte, at ophobningen af ​​atomare vibrationer forårsaget af elektronstrålen er lige så vigtig. Ved at pulsere strålen i takt med disse vibrationer, forskerne bevarede materialets oprindelige atomare struktur og afslørede, at plader af magnesiumchlorid stables oven på hinanden i et uregelmæssigt arrangement som en tilfældig stak bøger, som adskiller den fra andre materialer.

Et andet problem, som andre forskere har kæmpet med ved billeddannelse af magnesiumchlorid, er, at når materialet udsættes for luft, det ændrer sig både i kemisk indhold og krystalstruktur (måden dens atomer er arrangeret i rummet). Men når man bruger konventionelle elektronmikroskopiteknikker, prøven udsættes for luft, når den overføres til mikroskopet.

Når nye løsninger bliver krystalklare

Kisielowski bemærkede, at gennem deres samarbejde med Dow, de var i stand til at minimere materialets eksponering for luft, inden de blev sat ind i mikroskopet ved at bruge en speciel vakuumforseglet holder. "Vores kolleger hos Dow lærte os, hvordan man håndterer luftfølsomme materialer, og det var et nøgleelement i det hele, " sagde Kisielowski. "Vi er eksperter i at kontrollere elektronstrålen, hvilket er lige så vigtigt. Det var et giv-og-tag-samarbejde."

"Historisk set, en forståelse af magnesiumchlorid på atomniveau har været vanskelig at opnå, " sagde David Yancey, projektets Dow-samarbejdspartner, tilføjer, at Dows tætte forhold til Berkeley Lab gjorde det muligt for dem at anvende støberiets mikroskopiekspertise til at løse dette udfordrende problem.

Ved at samarbejde, forskere ved Berkeley Lab og Dow kan tackle grundlæggende videnskabelige spørgsmål, der er roden til udfordrende industrielle problemer. "Det institutionelle partnerskab åbner nye veje for fremtidig forskning, sagde Horst Simon, Berkeley Labs vicedirektør for forskning. "At henvende sig til disse store, grundlæggende spørgsmål vil føre til vidtrækkende fordele på tværs af videnskaben, industri, og nationens økonomi."

Nu hvor forskerne kan afbilde katalysatorerne til plastproduktion ved atomopløsning, de vil bevæge sig hen imod at studere forholdet mellem disse strukturer og egenskaberne af plast, bane vejen for mere specialiseret og bæredygtig plast.

"Vi ved allerede, at vi er nødt til at ændre, hvordan vi håndterer plastik i verden, sagde Petra Specht, anden forfatter af undersøgelsen og en forsker i Materials Science and Engineering-afdelingen ved UC Berkeley. "Hvis du vil lave ændringer, du skal vide, hvordan processen fungerer. Forhåbentlig, vores nye teknik vil hjælpe os med at få en bedre forståelse af, hvordan plastik dannes, og hvordan vi kan lave mere bæredygtige materialer, " tilføjede hun.