Ser inde i nanomaterialer i 3 dimensioner

Den 13. maj 2011, tidsskriftet Videnskab udgivet et papir, hvor forskere fra Risoe DTU (Danmark), i samarbejde med forskere fra Kina og USA, rapportere en ny metode til at afsløre et 3-D billede af strukturen inde i et materiale.

De fleste faste materialer er sammensat af millioner af små krystaller, pakket sammen for at danne et fuldt tæt fast stof. Orienteringerne, former, størrelser og relative arrangement af disse krystaller er vigtige for at bestemme mange materialeegenskaber.

Traditionelt, det har kun været muligt at se krystalstrukturen af ​​et materiale ved at se på en skåret overflade, giver kun 2D-information. I de seneste år, Der er udviklet røntgenmetoder, som kan bruges til at kigge ind i et materiale og få et 3D-kort over krystalstrukturen. Imidlertid, disse metoder har en opløsningsgrænse på omkring 100nm.

I modsætning, den nyudviklede teknik nu udgivet i Videnskab , tillader 3D-kortlægning af krystalstrukturen inde i et materiale ned til nanometer opløsning, og kan udføres ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop, et instrument, der findes i mange forskningslaboratorier.

Prøver skal være tyndere end et par hundrede nanometer. Imidlertid, denne begrænsning er ikke et problem for undersøgelser af krystalstrukturer inde i nanomaterialer, hvor den gennemsnitlige krystalstørrelse er mindre end 100 nanometer, og sådanne materialer undersøges over hele verden i en søgen efter materialer med nye og bedre egenskaber end de materialer, vi bruger i dag.

For eksempel, nanomaterialer har en ekstrem høj styrke og en fremragende slidstyrke og applikationer spænder derfor fra mikroelektronik til tandhjul til store vindmøller. Evnen til at indsamle et 3D-billede af krystalstrukturen i disse materialer er et vigtigt skridt i at kunne forstå oprindelsen af ​​deres særlige egenskaber.

Et eksempel på et sådant 3D-kort er givet i figuren, viser arrangementet af krystaller i en 150nm tyk nanometallisk aluminiumsfilm. Krystallerne har identisk gitterstruktur (arrangement af atomer), men de er orienteret på forskellige måder i 3D-prøven som illustreret af etiketterne 1 og 2. Farverne repræsenterer krystallernes orientering, og hver krystal er defineret af volumener af samme farve . De enkelte krystaller af forskellig størrelse (fra nogle få nm til ca. 100 nm) og former (fra aflange til sfæriske) ses tydeligt og kortlægges med en opløsning på 1 nanometer.

En vigtig fordel ved sådanne 3D-metoder er, at de tillader de ændringer, der finder sted inde i et materiale, at blive observeret direkte. For eksempel, kortlægningen kan gentages før og efter en varmebehandling, der afslører, hvordan strukturen ændrer sig under opvarmning.

Denne nye teknik har en opløsning 100 gange bedre end eksisterende ikke-destruktive 3D-teknikker og åbner nye muligheder for mere præcis analyse af de strukturelle parametre i nanomaterialer.