Underjordisk nanometri:Undersøgelse af skjulte materialer via atomkraftmikroskopi

En ny nanovidenskabsundersøgelse ledet af en forsker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory tager et stort billede af, hvordan videnskabsmænd studerer materialer i de mindste skalaer.

Artiklen, udgivet i Science Advances , gennemgår førende arbejde inden for underjordisk nanometri, videnskaben om intern måling på nanoskalaniveau, og foreslår, at kvantesansning kan blive grundlaget for feltets næste æra af opdagelser. Potentielle anvendelser kan spænde fra kortlægning af intracellulære strukturer til målrettet lægemiddellevering til karakterisering af kvantematerialer og nanostrukturer til fremme af kvanteberegning.

"Vores mål var at definere state of the art og at overveje, hvad der er blevet gjort, og hvor vi skal hen," sagde Ali Passian, en seniorforsker fra ORNL og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Alle vil gerne vide, hvad der er under overfladen af ​​materialer, men at finde ud af, hvad der virkelig er der, har en tendens til at være utroligt udfordrende i enhver skala. Vi håber at kunne inspirere en ny generation af forskere til at tackle denne udfordring ved at udnytte kvantefænomener eller hvad som helst de mest lovende muligheder kan være, så vi kan skubbe grænserne for sansning og billeddannelse mod større opdagelser og forståelse."

Partikler på nanoskala fungerer som byggestenene i kvantevidenskab - lige små nok til at gøre det muligt for videnskabsmænd at justere væsentlige egenskaber ved materialer med maksimal præcision. En nanometer er lig med en milliardtedel af en meter, en milliontedel af en millimeter og en tusindedel af en mikrometer. Det gennemsnitlige ark papir er for eksempel omkring 100.000 nanometer tykt.

Passian og medforfatter Amir Payam fra Ulster University antyder, at niveauet i nanoskala ikke kun kan være, hvor indviklede molekylære samlinger af biologiske systemer, såsom cellemembraner, dannes, men også hvor dimensionerne af nye materialer, såsom metaoverflader og kvantematerialer, stemmer overens. Indtil videre er det en underudforsket mulighed, konkluderer de.

Banebrydende værktøjer som scanningsprobemikroskopet, der bruger en sonde med skarp spids til at inspicere prøver på atomniveau, har hjulpet med at fremskynde fremskridt i nanometrien af ​​overflader. Undersøgelser har opnået færre sammenlignelige gennembrud, bemærker forfatterne.

"Alle vores sanser er rettet mod overflader," sagde Passian. "Selvom det stadig er svært, har vi udvidet vores rækkevidde til nanoskalaen ved på en eller anden måde at forstyrre materialet ved hjælp af lys, lyd, elektroner og bittesmå nåle. Men når først der er der, er det fortsat ekstremt udfordrende at måle, hvad der er under. Vi har brug for nye metoder, der giver os mulighed for at kigge ind i disse materialer, mens de efterlades intakte, kan her tilbyde muligheder, især kvantesansning, hvor for eksempel probens, lysets og prøvens kvantetilstande kunne udnyttes."

Forfatterne foreslår, at kvantesansteknikker nu i de tidlige udviklingsstadier kan være nøglen til fremskridt inden for underjordisk udforskning. Kvantesonder kunne f.eks. anvende skyrmioner – subatomære kvasipartikler skabt af forstyrrelser i magnetiske felter og allerede under overvejelse til andre kvanteapplikationer – til at sondere dybere end nogen nuværende teknik tillader.

"Folk arbejder hårdt på at skubbe grænserne for detektion og skabe nye målemetoder," sagde Passian. "Jeg tror, ​​at de næste par år vil blive spændende med hensyn til materialisering og brugervenlig implementering af disse teknikker for at opnå kvante-nanometri af overflader og underjordiske regioner."

Flere oplysninger: Amir Farokh Payam et al., Billeddannelse ud over overfladeregionen:Undersøgelse af skjulte materialer via atomkraftmikroskopi, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Oak Ridge National Laboratory