La vita nella nano corsia è veloce e lo è appena diventata in termini di conoscenza dei meccanismi fondamentali che funzionano su scala nanometrica, dove i processi sono guidati da una danza di particelle come atomi e ioni di un miliardesimo di metro.
Migliorare la comprensione su scala nanometrica, un team di ricercatori cinesi ha sviluppato una tecnica di visualizzazione basata sulla microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM) che offre funzionalità nuove e potenti. Correla direttamente la struttura su scala atomica con le proprietà fisiche e chimiche.
Questa settimana sulla rivista i ricercatori spiegano come la loro scoperta sia importante per la progettazione e la fabbricazione della prossima generazione di dispositivi tecnologici Lettere di fisica applicata . Questo lavoro ha potenziali applicazioni che vanno dalle finestre intelligenti basate sulla tecnologia elettrocromica che cambiano tinta quando un campo elettrico viene applicato alla superficie di una finestra, ad alterare la sua opacità in risposta alla tensione, a nuovi dispositivi per la gestione dell'energia, informazione e ambiente.
Il ricercatore Xuedong Bai, dottorato di ricerca, del National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics di Pechino, Accademia cinese delle scienze, e il Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, guida un team che collabora anche con l'International Center for Quantum Materials, Scuola di Fisica, Università di Pechino.
"Attualmente, il meccanismo atomico di nuovi dispositivi per l'energia, informazioni e applicazioni ambientali è una questione importante, " ha detto Bai. "L'imaging in tempo reale dei processi atomici nei fenomeni fisici e chimici è il compito della tecnica TEM in situ. Uno degli obiettivi della nostra ricerca è comprendere i principi di base dei dispositivi disponibili su scala atomica, un altro è esplorare i dispositivi rivoluzionari basati sull'imaging TEM in situ dei processi atomici."
Nella tecnologia TEM vincitrice del premio Nobel, un fascio di elettroni, invece di un raggio di luce utilizzato nei microscopi tradizionali, viene trasmesso attraverso un campione di metallo oggetto di studio. A causa delle minori lunghezze d'onda degli elettroni, La tecnologia TEM offre agli investigatori una risoluzione molto più elevata in modo che possano vedere più dettagli di quanto sia possibile con un microscopio ottico.
Bai sottolinea che il rapporto tra struttura e proprietà è un interesse fondamentale nella scienza dei materiali. Però, un vincolo allo studio di questa relazione è che la caratterizzazione della struttura e le misurazioni delle proprietà vengono solitamente eseguite separatamente, con metodi convenzionali, soprattutto per i materiali su scala nanometrica. La loro nuova mossa prevedeva la combinazione di questi passaggi.
"Negli ultimi 15 anni, il nostro lavoro si è concentrato sulla costruzione e le applicazioni della tecnica di microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM), quindi le proprietà su scala nanometrica sotto vari stimoli fisici, compreso elettrico e ottico, sono stati studiati all'interno di TEM, " ha detto Bai.
In particolare, il team si è concentrato su uno dei materiali elettrochimici più utilizzati, ossido di tungsteno, e una fase critica di transizione della sua produzione. Utilizzando la loro tecnica TEM semplificata all'interno di una cella elettrochimica, il loro microscopico, osservazioni dinamiche hanno rivelato meccanismi dettagliati in tempo reale coinvolti nella formazione e nell'evoluzione dei nanofili elettrochimici di ossido di tungsteno che hanno molte applicazioni nell'industria.
Uno degli aspetti più interessanti della loro indagine è stato quello di sondare i processi di elettromigrazione ionica e la loro trasformazione strutturale dinamica indotta. Hanno scoperto che questi sono strettamente correlati alle prestazioni elettrochimiche, e ha acquisito informazioni sull'ampio potenziale per le indagini di imaging TEM in situ.
"Nuove proprietà e importanti preoccupazioni scientifiche possono essere rivelate dall'imaging TEM in situ, Per esempio, il processo redox ad azionamento elettrico, il sito di occupazione degli atomi di litio nel funzionamento delle batterie agli ioni di litio, e il trasferimento di massa nella cella di reazione elettromeccanica, possono tutti beneficiare dell'imaging TEM in situ, " ha detto Bai.
Per il loro prossimo passo, i ricercatori stanno estendendo la tecnica di imaging su scala atomica TEM in situ per combinarla con la spettroscopia ottica ultraveloce. Con questa estensione, sarà possibile ottenere immagini ad alta risoluzione sia nello spazio che nel tempo.
