Ny anvendelse af røntgenstråler:En radarpistol til uregerlige atomer

Røntgenstråler har længe været brugt til at lave billeder af små genstande, selv enkelte atomer. Nu har et team af videnskabsmænd opdaget en ny anvendelse af røntgenstråler på atomær skala:Brug dem som en radarpistol til at måle bevægelsen og hastigheden af ​​komplekse og rodede grupper af atomer.

"Det er lidt ligesom en politifartfælde - for atomare og nanoskala defekter, " siger Randall Headrick, en professor i fysik ved University of Vermont, der ledede forskerholdet. Den nye teknik blev rapporteret den 28. marts i tidsskriftet Naturfysik .

Små porer

Røntgenstråler har stor kraft til at se indenfor. Det er ikke kun Superman; videnskabsmænd har rykket tættere på, hvad der kan virke som science fiction, træning af røntgenstråler på små genstande, inklusive kæder af DNA, vira, og individuelle atomer. Men mens de undersøger strukturen af ​​stadigt mindre ting, den tilfældige placering af disse objekter gør det stadig sværere at skelne mellem dem. Et langvarigt problem har været, at gode røntgenbilleder kræver næsten perfekte krystaller - identiske objekter i præcis rækkefølge. På atomernes skala, komplekse og uordnede objekter - som de tynde film, der bruges til at lave skærmen på en mobiltelefon eller metallagene, der bruges i elektroniske kredsløb - giver et sløret røntgenbillede. "Det er som at blande mange forskellige ansigter i et sammensat billede, " Headrick siger, "eller forsøger at se, hvordan en gennemsnitlig bil ser ud ved at se trafikken glide langs en motorvej."

I en ny tilgang, Headrick og de andre videnskabsmænd, med støtte fra det amerikanske energiministerium, lægge orden på røntgenbillederne, når der ikke er orden i det, de ser på. De brugte sammenhængende røntgenstråler (tænk røntgenstråler, der rejser i et marcherende band) til at genvinde nogle af informationerne fra deres billede. Snarere som radar udvælger en persons hastighed på motorvejen, de fiskede de distinkte hastigheder af små grupper af atomer ud fra det bulk-røntgensignal, de lyste på en strøm af atomer i bevægelse. Og i den nye form for røntgenbillede, de opdagede hulrum og små porer, der dannes, når man laver to slags tynde film med silicium og wolfram – og hvordan disse hulrum og porer bevæger sig.

Deres opdagelse lover at forbedre industrielle teknikker til at gøre glattere, mere perfekte tynde film - som har tusindvis af kommercielle applikationer fra solpaneler til medicinafgivelsessystemer, computerchips til kartoffelchipsposer.

Men langt vigtigere, Headrick noter, forskningen åbner en ny måde at se mange slags komplekse klumper af atomer i bevægelse, ikke kun ryddelige krystaller.

"Vi kan se disse nanoskala defekter dannes i filmen, mens de bliver lavet, " siger Headrick. Forskerne var overraskede over, at de var i stand til at skabe et billede, ikke kun af filmens overfladeruhed, men også den indre struktur. Dette er vigtigt, da kvaliteten af ​​tynde film kan blive stærkt påvirket af det dynamiske forhold mellem, hvordan de vokser ved overfladen - ofte sprøjtes eller aflejres i et vakuum - og strukturen af ​​atomer, der dannes under overfladen.

"Vi finder, at der er to slags defekter, " Headrick noter, "en type, der bevæger sig sammen med overfladen og menes at være nanokolonner, der vokser med overfladen - og en anden type, der er hulrum, der ikke vokser med overfladen."

SOM ØL

For at forstå disse to slags defekter, skænk dig et glas øl og se boblerne. Nogle bevæger sig i tynde linjer gennem væsken, rejser op, mens toppen af ​​øllet også hæver sig. Andre bobler, fanget i det skummende hoved, sidder fast, mens flere skumbunker ovenpå dem.

Forestil dig nu, at disse bobler faktisk er enkelte atomer. Linjerne af bobler, der bevæger sig op, mens øllet hældes, er som nanosøjler af atomer, Headrick og holdet observerede med den nye røntgenteknik. Hulrummene i filmen er som boblerne fanget i ølskummet.

Hovedforfatteren på papiret er Headricks kandidatstuderende, Jeffrey Ulbrandt. Sammen, de samarbejdede med forskere fra Boston University, herunder fysiker Karl Ludwig, og forskere ved Argonne National Laboratory, at gøre opdagelsen. Ved at bruge en stor maskine kaldet en synkrotron ved Argonnes Advanced Photon Source, de var i stand til at dirigere højt organiserede bølger af røntgenstråler ind på filmene. Billedet med disse sammenhængende røntgenstråler, uordnede genstande – som den ru overflade og det rodede indre af en siliciumfilm – kan fornemmes i et komplekst mønster af pletter, der er lavet på røntgenstråledetektoren. "Dette spættemønster indeholder detaljerede oplysninger om formerne og afstandene i samlingen af ​​objekter, " forklarer Headrick.

RØNTGENTUNING

Disse sammenhængende røntgenstråler kan også føle bevægelse, sporer jiggling og sværmende grupper af atomer, der bevæger sig uafhængigt og uregelmæssigt. Det nye studie skubber den erkendelse fremad. Forskerne tog en spredt bølge af røntgenstråler, der hoppede af den ru overflade af den tynde film, der blev aflejret i et vakuumkammer - og blandede den med en spredt bølge af røntgenstråler, der kom fra de uordnede defekter - nanokolonnerne og hulrummene - der dannes kl. og under filmens overflade.

Disse to blandede bølger fungerer lidt som en radarpistol. Bølgerne fra overfladen danner en hastighedsreference - mens de underjordiske bølger danner et meget mindre signal blandet ind i denne referencebølge. Forskerne så på det plettede mønster fra røntgenstråler, der spredte sig fra den voksende overflade af de tynde film, bliver tykkere med en kendt hastighed. Derefter målte de, hvordan dette plettede mønster svingede, når det interagerer med røntgenstrålerne, der preller af defekterne og det indre. Disse svingninger ("som en vibrerende stemmegaffel, " siger Headrick) er forårsaget af atomer i forskellige hastigheder - hvilket gav holdet et følsomt mål for de relative hastigheder af atomer i bevægelse. Men i stedet for 55 mph, den tynde filmoverflade vokser op med nogle få Ångstrøm i sekundet. Nogle af defekterne vokser med det, mens andre bliver efterladt i nanodstøvet.

"Dette er en ny røntgeneffekt, " Randy Headrick siger, "der lader os fornemme uordnet stof i bevægelse - på atomskalaen."