Forskere kombinerer røntgenstråler og mikroskoper til præcise eksperimenter

(Phys.org) — At få et materiales fingeraftryk på atomniveau kræver meget mere end blot en klat blæk.

Ved at parre mulighederne for røntgenanalyse og ekstremt præcis mikroskopi, forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har udviklet en måde til samtidig at bestemme den fysiske struktur og kemiske sammensætning af materialer tæt på atomniveau. Forskningen åbner nye veje til den næste generation af materialer til et bredt udvalg af energirelaterede applikationer.

Siden dens nobelprisvindende opfindelse i 1980'erne, scanning tunneling microscopy (STM) har givet forskere mulighed for at se et enormt udvalg af forskellige materialer på atomniveau. STM tilbyder en finere grad af rumlig opløsning end praktisk talt enhver anden billedbehandlingsteknik, selvom det har en væsentlig ulempe, sagde Argonne nanoforsker Volker Rose.

"STM var et utroligt gennembrud, da det blev opdaget, men problemet med det er, at selvom vi dybest set kan se, hvor alle atomerne er, det giver ikke direkte information om kemien eller de magnetiske egenskaber, " sagde Rose.

At overvinde denne "kemiske blindhed" og samtidig bevare evnen til at studere materialer i så lille skala har vist sig at være en udfordring for det videnskabelige samfund, men ved at kombinere ressourcerne fra Argonnes Advanced Photon Source, Center for Nanoskala Materialer og Elektronmikroskopi Center, en af ​​Roses seneste undersøgelser baner vejen frem.

I den nyligt offentliggjorte undersøgelse, Rose og hans team rapporterer om en ny teknik, kaldet "synkrotron røntgen scanning tunneling mikroskopi, " som forener STM med synkrotron røntgenstråler leveret af Advanced Photon Source. Holdet brugte en lillebitte kobberprøve til at bestemme teknikkens begrænsninger og muligheder. Alene, synkrotronen kan ikke opnå den rumlige opløsning, som STM tilbyder, men i fællesskab leverer de den kvalitet og type data, som forskerne ledte efter.

"Man kan tænke på, at vores videnskabelige evner ligner evnerne hos en atlet, der er god til flere sportsgrene, " sagde Rose. "En baseballspiller er måske ikke fantastisk til fodbold, eller omvendt, fordi kravene til hver er forskellige. Men at have en person - eller i vores tilfælde, en eksperimentel teknik – der kombinerer kraften i flere tilgange, vil have en varig effekt og forhåbentlig fremskynde udviklingen af ​​en række nye teknologier.

"I øjeblikket, hvert værktøj bruges af et andet videnskabeligt samfund, men dette er et godt eksempel på, hvor kombineret ekspertise virkelig kan fremskynde opdagelse, " han tilføjede.

Fordi synkrotron røntgen scanning tunneling mikroskopi kunne bruges til at undersøge en bred vifte af forskellige materialer, Rose mener, at teknikken vil hjælpe forskere og ingeniører med at udvikle nye generationer af katalysatorer, nanoskala magnetiske systemer og solceller. "Med katalyse, at have denne grad af opløsning vil vise os, hvor de aktive steder er på individuelle katalysatorer, og vi kan se præcis, hvordan reaktionen opstår, " sagde han. "Med solceller, vi kan få et meget bedre overblik over overfladeurenheder, der i øjeblikket reducerer deres effektivitet."

Rose forventer, at den nye teknik i sidste ende vil være i stand til at studere det elektroniske, individuelle atomers kemiske og magnetiske egenskaber.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Synkrotron røntgen scanning tunneling mikroskopi:Fingeraftryk nær til fjern feltovergange på Cu(111) induceret af synkrotronstråling, " vises i 28. maj-udgaven af Avancerede funktionelle materialer .