Kemiforskere nærmer sig et nyt atomkraftmikroskop

(Phys.org) – Et højeffekt atomkraftmikroskop, der kunne revolutionere studiet af materialer ved høje temperaturer og tryk, kommer i fokus i et Wright State University-laboratorium.

Steven Higgins og hans team bygger en ny version af det hydrotermiske atomkraftmikroskop, et instrument, der kunne låse op for videnskabelige mysterier og blive brugt i studiet af olieproduktion, hydrofrakturering af stenlag, opbevaring af radioaktivt affald og opsamling og opbevaring af atmosfærisk kuldioxid.

"Jeg tog en post-doc stilling ved University of Wyoming, der blev bygget op omkring at bygge et af de allerførste hydrotermiske atomkraftmikroskoper, " sagde Higgins, Ph.D., professor i kemi og associeret direktør for Wright State's Environmental Sciences Ph.D. program. "Lige siden, Jeg har været interesseret i at bygge det næstbedste mikroskop."

I modsætning til et konventionelt optisk mikroskop, det hydrotermiske atomkraftmikroskop består af en skarp sonde monteret på enden af ​​en cantilever. Cantileveren bliver en sensor, når sonden kommer i kontakt med det materiale, der undersøges, skabe et elektrisk signal, der skaber et billede på en skærm. Mikroskopets "atomkraft" kommer fra samspillet mellem sondens atomer og overfladen.

Higgins var med til at bygge et sådant mikroskop i slutningen af ​​1990'erne. Det var i stand til at afbilde overflader ved temperaturer på 150 grader celsius og tryk på 10 atmosfærer. Den nye version ville bringe det til 250 grader celsius og 80 atmosfærer.

"Hvis vi er i stand til at ramme 250 grader, det er virkelig fænomenalt, " sagde Higgins. "Det sætter dette mikroskop langt over den eksisterende teknologi. Der kan være en bredere forskersamfundsinteresse i et mikroskop, der kan fungere under disse forhold."

Konventionelle scanningselektronmikroskoper skal normalt betjenes i et vakuum, normalt i den uvirkelige verden af ​​et laboratorium. Det hydrotermiske mikroskop kan se på mineraler og andre faste overflader, når de reagerer med væsker i deres oprindelige miljø, giver et mere præcist billede.

Dette giver mikroskopet anvendelser inden for korrosionsvidenskab og dannelse af mineralskala, hvilket er vigtigt for olieindustrien.

"Ligesom en arterie ville have tendens til at blive blokeret med plak over tid, brøndforingsrør har en tendens til at blive blokeret med mineralskala, " sagde Higgins. "Det reducerer produktiviteten, øger omkostningerne og resulterer i sidste ende i manglende evne til at udvinde petroleum."

Mikroskopet bygges gennem et partnerskab med Oak Ridge National Laboratory, som har et team af geovidenskabsfolk, der er fokuseret på høj temperatur, højtryksreaktioner ved grænseflader mellem mineralvæsker.

"De er interesserede i at bringe deres pakke af instrumenter til et nyt niveau, " sagde Higgins. "De er finansieret til at se på problemer, der kan være relateret til hydrofrakturering, opbevaring af radioaktivt affald, kuldioxidbinding. Det er geokemiske problemer, som det amerikanske energiministerium er bekymret over."

Mikroskopet kunne også hjælpe med at besvare spørgsmål, der ville fremme forståelsen af ​​grundlæggende videnskab.

"Hvordan opfører disse særlige atomer sig på atomær skala ved disse temperaturer under disse forhold?" sagde Higgins. "Denne type mikroskop er virkelig uden sidestykke med hensyn til dets evne til at besvare spørgsmål, der kan være formuleret omkring den forudsætning. Af og til, du lærer noget, der er ret uventet."

Higgins sagde, at producenterne af kommercielle atomkraftmikroskoper ikke er så interesserede i at hæve måltemperaturen.

"Så vi er nødt til at bygge dem på egen hånd, " sagde han. "Vi er nødt til at designe dem, vi skal teste dem, vi er nødt til at anvende dem på vores egne problemer."

Jacky Bracco, en ph.d. studerende i miljøvidenskab fra Atlanta, er med til at bygge mikroskopet. Maskinmesterværkstedet John Lawless og ingeniørstuderende Matthew Pifher har også arbejdet på det.

"Den primære udfordring er at tage de materialer, vi brugte i de gamle iterationer, og bruge dem ved de højere temperaturer, " sagde Bracco.

Higgins sagde, at det sandsynligvis vil vare et år, før hans team ved, om det nye mikroskop vil være i stand til at ramme 250 grader.