Frances Ross diskuterer at være vidne til nanostrukturdannelse

Professor Frances Ross sluttede sig til MIT Department of Materials Science and Engineering i efteråret efter en karriere med at udvikle teknikker, der undersøger materialers reaktioner, mens de finder sted. Tidligere hos IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, Ross bringer til MIT sin ekspertise i at anvende transmissionselektronmikroskopi for at forstå, hvordan nanostrukturer dannes i realtid og bruge data fra sådanne film til at udvikle nye strukturer og vækstveje.

Spørgsmål:Hvilken indsigt får vi ved at observere krystalstrukturer i nanoskala, der dannes i realtid, som blev overset, når observation var begrænset til kun at analysere strukturer efter deres dannelse?

A:Optagelse af en film af noget, der vokser, snarere end billeder før og efter vækst, har mange spændende fordele. Filmen giver os et kontinuerligt overblik over en proces, som viser den fulde udvikling. Dette kan indeholde detaljerede oplysninger som væksthastigheden for en individuel nanokrystal. Optagelse af en kontinuerlig visning gør det lettere at fange en hurtig kernedannelseshændelse eller en virkelig kortvarig mellemform, hvilket ofte kan være ret uventet. Filmen giver os også et vindue til materialers adfærd under virkelige forarbejdningsforhold, undgå de ændringer, der normalt opstår, når du stopper væksten for at blive klar til analyse efter vækst. Og endelig, det er muligt at dyrke et enkelt objekt og derefter måle dets egenskaber, såsom den elektriske ledningsevne af en nanotråd eller smeltepunktet for en nanokrystal. Selvfølgelig indebærer det større eksperimentel kompleksitet at få sådan information, men resultaterne gør denne ekstra indsats umagen værd, og vi nyder virkelig at designe og udføre disse eksperimenter.

Q:Hvad vil din rolle være i at flytte disse teknikker fremad gennem den nye MIT.nano-facilitet?

A:MIT.nano har nogle meget stille værelser nedenunder. Lokalerne er designet til at have en stabil temperatur og minimere vibrationer og elektromagnetiske felter fra omgivelserne, inklusive den nærliggende T-linje [metro]. Vores plan er at bruge et af disse rum til et unikt nyt elektronmikroskop. Det vil blive designet til væksteksperimenter, der involverer todimensionelle materialer:ikke kun den berømte grafen, men også andre. Vi planlægger at studere vækstreaktioner, hvor "konventionelle" (tredimensionelle) nanokrystaller vokser på todimensionelle materialer - et nødvendigt skridt i at gøre fuld brug af de interessante nye muligheder, som todimensionelle materialer tilbyder. Vækstreaktioner, der involverer todimensionelle materialer, er vanskelige at studere ved hjælp af vores eksisterende udstyr, fordi materialerne er beskadiget af de elektroner, der bruges til billeddannelse. Det nye mikroskop vil bruge lavere spændingselektroner og vil have et højt vakuum til præcis kontrol af miljøet og evner til at udføre vækst og andre processer ved hjælp af reaktive gasser. Dette mikroskop vil også gavne vækststudier i mange andre materialer. Men ikke alle eksperimenter kræver et sådant avanceret udstyr, og vi planlægger også at udvikle nye kapaciteter, især til at se på reaktioner i væsker, i de mikroskoper, der allerede er i drift i bygning 13.

Q:Hvilke teknologier vil mest umiddelbart gavne gennem forbedret observation af strukturdannelse i nanoskala?

A:Jeg tror, ​​at enhver ny måde at se på et materiale eller en proces har en tendens til at påvirke et meget bredere område, end du først forestiller dig. Det har været meget spændende at se, hvor mange områder der har gjort brug af de muligheder, som disse typer væksteksperimenter giver. Vækstprocesser i væsker har allerede undersøgt katalysatorer i aktion, biomineralisering, væskefysik (såsom nanoskala bobler), korrosion, og materialer til genopladelige batterier. Nogle biologiske, geologisk, eller atmosfæriske processer vil også i sidste ende drage fordel af denne type mikroskopi. Vækstreaktioner, der involverer gasser, er særligt velegnede til at løse spørgsmål i katalyse (igen), tynde film og belægninger, behandling til mikroelektronik, strukturer, der anvendes i solid-state belysning, og en række andre teknologiområder. Vores tilgang har været at vælge relativt enkle materialer, der har nyttige anvendelser - silicium, germanium, kobber – men brug så eksperimenterne til at undersøge den grundlæggende fysik, der ligger til grund for materialernes reaktion, og se, hvordan det kan lære os, hvordan man bygger mere komplekse strukturer. Jo enklere og mere generel modellen er, der forklarer vores observationer, jo gladere vi er.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.