Innovativ membranplatform muliggør analyse ned til en håndfuld gasatomer

Forskere fra Northwestern University har udviklet en ny metode til at være vært for gasmolekyler, mens de analyseres i realtid, ved at bruge honeycomb-strukturer fundet i naturen som inspiration til en ultratynd keramisk membran, de inkorporerede til at omslutte prøven.

Ud over at udlede signaturerne af gasatomer gennem deres unikke bindinger, fungerer indkapslingsstrategien inden for højvakuumtransmissionselektronmikroskoper (TEM'er) for at forbedre billeddannelsen af ​​faste nanostrukturer. Disse værktøjer kan bruges overalt, lige fra nationale laboratorier, der udfører grundforskning, til innovative start-ups, der skaber praktiske applikationer.

Når elektroner spredes væk fra deres oprindelige vej, når de passerer gennem en prøve, forringes billedopløsningen og kontrasten. Designet af et team af materialeforskere ved Northwestern, minimerede den resulterende siliciumnitrid-mikrochip baggrundsspredning.

"Vores team har udviklet en membran, der er så tynd, at elektroner kan passere gennem nanoreaktoren med minimal distraktion," sagde materialeforsker Vinayak Dravid. "Vi forankrede en ultratynd siliciumnitridfilm på vores honeycomb-ramme, der giver os en celle med membraner på begge sider."

Artiklen blev offentliggjort 17. januar i tidsskriftet Science Advances .

Dravid, en forfatter til papiret, er Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern's McCormick School of Engineering og stiftende direktør for NUANCE Center, hvor arbejdet blev udført. Han fungerer også som associeret direktør for globale initiativer ved International Institute for Nanotechnology.

Sammen med Xiaobing Hu, co-korresponderende forfatter og forskningslektor inden for materialevidenskab og ingeniørafdeling, og Kunmo Koo, førsteforfatter og forskningsmedarbejder i NUANCE Center, udviklede Dravid-forskerholdet platformen for gasceller ved hjælp af en membran-en -femte så tykke som kommercielt tilgængelige mikrochips.

Før-og-efter-billederne, der viste reaktionerne, var slående.

"Tykkelsen af ​​de konventionelle membraner har en tendens til at være meget stor for at bevare den mekaniske integritet under det ekstremt høje vakuum, som mikroskopet skaber," sagde Dravid. "Forestil dig, at jeg skulle have meget tykke briller, der absorberer meget lys, og som følge heraf ser jeg ikke meget. De billeder, vi producerede med vores opfindelse, ligner næsten at fjerne dug for glassene."

Dravid sammenlignede forskellen med James Webb-rumteleskopet, hvor tidligere usynlige kroppe kom i fokus. Det er vigtigt, at membranen tillod holdet at bruge spektroskopi til at lave en analyse "ned til en håndfuld gasatomer" - for eksempel at skelne mellem molekyler, der tidligere så identisk ud som kuldioxid (CO₂ ) og kulilte (CO), som er afgørende for nye rene energiteknologier.

Spektroskopi giver forskerne mulighed for at se, hvordan elektroner interagerer med de atomer, de afbilder, hvordan de absorberer, reflekterer eller udsender specifikke energier, mens de afslører et unikt spektroskopi-fingeraftryk.

Udvikling af en metode til at analysere, hvordan tingene ændrer sig med tid, tryk og temperatur og se, hvordan væsker interagerer med nanopartikler, er afgørende for nye ren energi- og batteriteknologier på molekylært niveau. Med dette nye fremskridt kan anvendte teknologier såsom fotovoltaik og katalytiske energisystemer bedre analyseres på nano- og elektroniske længdeskalaer.

"Den ultratynde keramiske membran kan anvendes til en bredere disciplin, ikke kun begrænset til elektronmikroskopi," sagde Hu. "For eksempel forventes bedre resultater for lys- eller røntgenkarakteriseringer. Og strategien kan udvides vidt for membraner og mekaniske komponenter, som kræver lav tykkelse, men høj mekanisk styrke."

Med den nye teknik kan forskerne se opløsninger ned til omkring 1,02 ångstrøm sammenlignet med omkring 2,36 ångstrøm i tidligere eksperimenter. Holdet sagde, at de har opnået den højeste rumlige opløsning og spektrale synlighed, der er registreret i deres felt til dato.

Ud over mikroskoper håber holdet at anvende deres platformsteknologi til andre problemer, da indkapslingsteknikken kan anvendes på enhver mikrochip eller optisk-baseret teknik.

"På et hvilket som helst område er tyndere bedre, fordi du får mindre information fra den tykke beholder sammenlignet med selve objektet," sagde Koo.

Flere oplysninger: Kunmo Koo et al., Ultratynd siliciumnitrid-mikrochip til in situ/operando-mikroskopi med høj rumlig opløsning og spektral synlighed, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Northwestern University