Un team scientifico guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha trovato un nuovo modo per misurare la temperatura locale di un materiale da un'area larga circa un miliardesimo di metro, o circa 100, 000 volte più sottile di un capello umano.

Questa scoperta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , promette di migliorare la comprensione di comportamenti fisici e chimici utili ma insoliti che si verificano nei materiali e nelle strutture su scala nanometrica. La capacità di rilevare temperature su scala nanometrica potrebbe aiutare a far progredire i dispositivi microelettronici, materiali semiconduttori e altre tecnologie, il cui sviluppo dipende dalla mappatura delle vibrazioni su scala atomica dovute al calore.

Lo studio ha utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di guadagno di energia degli elettroni in un dispositivo appena acquistato, strumento specializzato che produce immagini con elevata risoluzione spaziale e grande dettaglio spettrale. Lo strumento alto 13 piedi, prodotto da Nion Co., si chiama HERMES, abbreviazione di Spettroscopia a perdita di energia di elettroni monocromatici ad alta risoluzione. Microscopio elettronico a trasmissione a scansione.

Gli atomi tremano sempre. Più alta è la temperatura, più gli atomi tremano. Qui, gli scienziati hanno utilizzato il nuovo strumento HERMES per misurare la temperatura del nitruro di boro esagonale semiconduttore osservando direttamente le vibrazioni atomiche che corrispondono al calore nel materiale. Il team includeva partner di Nion (sviluppatore di HERMES) e Protochips (sviluppatore di un chip di riscaldamento utilizzato per l'esperimento).

"La cosa più importante di questo 'termometro' che abbiamo sviluppato è che non è necessaria la calibrazione della temperatura, " ha affermato il fisico Juan Carlos Idrobo del Center for Nanophase Materials Sciences, un DOE Office of Science User Facility presso l'ORNL.

Altri termometri richiedono una calibrazione preventiva. Per fare segni di graduazione della temperatura su un termometro a mercurio, Per esempio, il produttore deve sapere quanto mercurio si espande all'aumentare della temperatura.

"HERMES di ORNL invece fornisce una misura diretta della temperatura su scala nanometrica, " ha affermato Andrew Lupini della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL. Lo sperimentatore deve solo conoscere l'energia e l'intensità di una vibrazione atomica in un materiale, entrambe misurate durante l'esperimento.

Queste due caratteristiche sono rappresentate come picchi, che vengono utilizzati per calcolare un rapporto tra guadagno di energia e perdita di energia. "Da questo otteniamo una temperatura, — spiegò Lupini. — Non abbiamo bisogno di sapere prima nulla del materiale per misurare la temperatura.

Nel 1966, anche in Lettere di revisione fisica , H. Boersch, J. Geiger e W. Stickel hanno pubblicato una dimostrazione della spettroscopia di guadagno di energia degli elettroni, su una scala di lunghezza maggiore, e ha sottolineato che la misurazione dovrebbe dipendere dalla temperatura del campione. Sulla base di tale suggerimento, il team dell'ORNL ha ipotizzato che dovrebbe essere possibile misurare la temperatura di un nanomateriale utilizzando un microscopio elettronico con un fascio di elettroni "monocromato" o filtrato per selezionare le energie entro un intervallo ristretto.

Per eseguire esperimenti di spettroscopia di guadagno e perdita di energia elettronica, gli scienziati mettono un materiale campione nel microscopio elettronico. Il fascio di elettroni del microscopio attraversa il campione, con la maggior parte degli elettroni che interagiscono appena con il campione. Nella spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, il raggio perde energia mentre attraversa il campione, considerando che nella spettroscopia di guadagno di energia, gli elettroni guadagnano energia dall'interazione con il campione.

"Il nuovo HERMES ci consente di osservare perdite di energia molto piccole e persino quantità molto piccole di guadagno di energia da parte del campione, che sono ancora più difficili da osservare perché hanno meno probabilità di accadere, Idrobo ha detto. "La chiave del nostro esperimento è che i principi fisici statistici ci dicono che è più probabile osservare un guadagno di energia quando il campione viene riscaldato. Questo è esattamente ciò che ci ha permesso di misurare la temperatura del nitruro di boro. Il microscopio elettronico monocromato consente questo da volumi su scala nanometrica. La capacità di sondare fenomeni fisici così squisiti su queste scale minuscole è il motivo per cui ORNL ha acquistato l'HERMES."

Gli scienziati dell'ORNL spingono costantemente le capacità dei microscopi elettronici per consentire nuovi modi di condurre ricerche all'avanguardia. Quando lo sviluppatore di microscopi elettronici Nion Ondrej Krivanek ha chiesto a Idrobo e Lupini, "Non sarebbe divertente provare la spettroscopia di guadagno di energia degli elettroni?" hanno colto al volo l'opportunità di essere i primi a esplorare questa capacità del loro strumento HERMES.

La risoluzione su nanoscala consente di caratterizzare la temperatura locale durante le transizioni di fase nei materiali, cosa impossibile con tecniche che non hanno la risoluzione spaziale della spettroscopia HERMES. Per esempio, una telecamera a infrarossi è limitata dalla lunghezza d'onda della luce infrarossa a oggetti molto più grandi.

Considerando che in questo esperimento gli scienziati hanno testato ambienti su scala nanometrica a temperatura ambiente a circa 1300 gradi Celsius (2372 gradi Fahrenheit), l'HERMES potrebbe essere utile per studiare dispositivi che funzionano in un'ampia gamma di temperature, Per esempio, l'elettronica che opera in condizioni ambientali ai catalizzatori del veicolo che eseguono oltre 300 C/600 F.