(Phys.org) — Un microscopio a forza atomica ad alta potenza che potrebbe rivoluzionare lo studio dei materiali ad alte temperature e pressioni sta venendo messo a fuoco in un laboratorio della Wright State University.

Steven Higgins e il suo team stanno costruendo una nuova versione del microscopio idrotermale a forza atomica, uno strumento che potrebbe svelare misteri scientifici ed essere utilizzato nello studio della produzione di petrolio, idrofratturazione di strati rocciosi, lo stoccaggio dei rifiuti radioattivi e la cattura e lo stoccaggio dell'anidride carbonica atmosferica.

"Ho preso una posizione post-dottorato presso l'Università del Wyoming che è stata costruita intorno alla costruzione di uno dei primissimi microscopi a forza atomica idrotermali, " disse Higgins, dottorato di ricerca, professore di chimica e direttore associato del dottorato in scienze ambientali di Wright State. programma. "Da allora, Mi interessava costruire il prossimo miglior microscopio".

A differenza di un microscopio ottico convenzionale, il microscopio idrotermale a forza atomica è costituito da una sonda appuntita montata all'estremità di un cantilever. Il cantilever diventa un sensore quando la sonda entra in contatto con il materiale in esame, creando un segnale elettrico che crea un'immagine su un monitor. La "forza atomica" del microscopio deriva dall'interazione degli atomi della sonda e della superficie.

Higgins ha contribuito a costruire un tale microscopio alla fine degli anni '90. Era in grado di acquisire immagini di superfici a temperature di 150 gradi centigradi e pressioni di 10 atmosfere. La nuova versione lo porterebbe a 250 gradi centigradi e 80 atmosfere.

"Se siamo in grado di raggiungere i 250 gradi, è davvero fenomenale, " Ha detto Higgins. "Questo mette questo microscopio molto al di sopra della tecnologia esistente. Potrebbe esserci un interesse più ampio della comunità di ricerca in un microscopio in grado di funzionare in quelle condizioni".

I microscopi elettronici a scansione convenzionali normalmente devono essere utilizzati nel vuoto, di solito nel mondo irreale di un laboratorio. Il microscopio idrotermico può osservare minerali e altre superfici solide mentre reagiscono con i fluidi nel loro ambiente nativo, dando una visione più accurata.

Ciò offre al microscopio applicazioni nella scienza della corrosione e nella formazione di incrostazioni minerali, che è importante per l'industria petrolifera.

"Proprio come un'arteria tende a bloccarsi con la placca nel tempo, gli involucri dei pozzi tendono ad intasarsi di incrostazioni minerali, " ha detto Higgins. "Questo riduce la produttività, aumenta i costi e alla fine si traduce nell'impossibilità di estrarre petrolio."

Il microscopio è stato costruito attraverso una partnership con l'Oak Ridge National Laboratory, che ha un team di geoscienziati che si concentrano sull'alta temperatura, Reazioni ad alta pressione alle interfacce di fluidi minerali.

"Sono interessati a portare la loro suite di strumenti a un nuovo livello, " Ha detto Higgins. "Sono finanziati per esaminare i problemi che potrebbero essere correlati all'idrofratturazione, stoccaggio di scorie radioattive, sequestro di anidride carbonica. Questi sono problemi geochimici di cui è preoccupato il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti".

Il microscopio potrebbe anche aiutare a rispondere a domande che aumenterebbero la comprensione della scienza di base.

"Come si comportano questi particolari atomi su scala atomica a queste temperature in queste condizioni?" ha detto Higgins. "Questo tipo di microscopio non è secondo a nessuno in termini di capacità di rispondere a domande che potrebbero essere formulate intorno a quella premessa. Occasionalmente, impari qualcosa di abbastanza inaspettato."

Higgins ha affermato che i produttori di microscopi a forza atomica commerciali non sono interessati ad aumentare la temperatura target.

"Quindi dobbiamo costruirli da soli, " ha detto. "Dobbiamo progettarli, dobbiamo testarli, dobbiamo applicarli ai nostri problemi".

Jacky Bracco, un dottorato di ricerca studente in scienze ambientali di Atlanta, sta aiutando a costruire il microscopio. Ci hanno lavorato anche il supervisore dell'officina di ingegneria meccanica John Lawless e lo studente di ingegneria Matthew Pifher.

"La sfida principale è prendere i materiali che usavamo nelle vecchie iterazioni e usarli a temperature più elevate, " ha detto Bracco.

Higgins ha detto che probabilmente passerà un anno prima che il suo team sappia se il nuovo microscopio sarà in grado di raggiungere i 250 gradi.