La professoressa Frances Ross è entrata a far parte del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali del MIT questo autunno dopo una carriera nello sviluppo di tecniche che sondano le reazioni dei materiali mentre si verificano. Precedentemente con l'IBM Thomas J. Watson Research Center di Yorktown Heights, New York, Ross porta al MIT la sua esperienza nell'applicazione della microscopia elettronica a trasmissione per capire come si formano le nanostrutture in tempo reale e utilizzare i dati di tali filmati per sviluppare nuove strutture e percorsi di crescita.

D:Quali informazioni otteniamo dall'osservazione di strutture cristalline su nanoscala che si formano in tempo reale che sono state perse quando l'osservazione era limitata all'analisi delle strutture solo dopo la loro formazione?

A:Registrare un filmato di qualcosa in crescita, piuttosto che immagini prima e dopo la crescita, ha molti vantaggi interessanti. Il film ci offre una visione continua di un processo, che mostra la piena evoluzione. Questo può includere informazioni dettagliate come il tasso di crescita di un singolo nanocristallo. La registrazione di una vista continua rende più facile catturare un evento di nucleazione rapida o una forma intermedia di breve durata, che spesso può essere del tutto inaspettato. Il film ci offre anche una finestra sul comportamento dei materiali in condizioni di lavorazione reali, evitando i cambiamenti che di solito si verificano quando si interrompe la crescita per prepararsi all'analisi post-crescita. E infine, è possibile far crescere un singolo oggetto quindi misurarne le proprietà, come la conduttività elettrica di un nanofilo o il punto di fusione di un nanocristallo. Naturalmente ottenere tali informazioni comporta una maggiore complessità sperimentale, ma i risultati rendono utile questo sforzo in più, e ci piace molto progettare e realizzare questi esperimenti.

D:Quale sarà il tuo ruolo nel portare avanti queste tecniche attraverso la nuova struttura MIT.nano?

A:MIT.nano ha alcune stanze molto tranquille al piano di sotto. Le stanze sono progettate per avere una temperatura stabile e ridurre al minimo le vibrazioni e i campi elettromagnetici dall'ambiente circostante, compresa la vicina linea T [metropolitana]. Il nostro piano è usare una di queste stanze per un nuovo microscopio elettronico unico. Sarà progettato per esperimenti di crescita che coinvolgono materiali bidimensionali:non solo il famoso grafene ma anche altri. Intendiamo studiare le reazioni di crescita in cui i nanocristalli "convenzionali" (tridimensionali) crescono su materiali bidimensionali, un passo necessario per sfruttare appieno le nuove interessanti opportunità offerte dai materiali bidimensionali. Le reazioni di crescita che coinvolgono materiali bidimensionali sono difficili da studiare utilizzando le nostre apparecchiature esistenti perché i materiali sono danneggiati dagli elettroni utilizzati per l'imaging. Il nuovo microscopio utilizzerà elettroni a tensione inferiore e avrà un vuoto spinto per un controllo preciso dell'ambiente e capacità di eseguire la crescita e altri processi utilizzando gas reattivi. Questo microscopio sarà utile anche per gli studi sulla crescita in molti altri materiali. Ma non tutti gli esperimenti richiedono apparecchiature così all'avanguardia, e abbiamo anche in programma di sviluppare nuove capacità, in particolare per osservare le reazioni nei liquidi, nei microscopi già operativi nell'Edificio 13.

D:Quali tecnologie trarranno i maggiori benefici dall'osservazione avanzata della formazione di strutture su nanoscala?

R:Penso che qualsiasi nuovo modo di vedere un materiale o un processo tenda ad avere un impatto su un'area molto più ampia di quanto tu possa immaginare a prima vista. È stato molto emozionante vedere quante aree hanno sfruttato le opportunità offerte da questi tipi di esperimenti di crescita. I processi di crescita nei liquidi hanno già messo alla prova i catalizzatori in azione, biomineralizzazione, fisica dei fluidi (come bolle su scala nanometrica), corrosione, e materiali per batterie ricaricabili. Alcuni biologici, geologico, o anche i processi atmosferici trarranno beneficio da questo tipo di microscopia. Le reazioni di crescita che coinvolgono i gas sono particolarmente adatte per affrontare le questioni nella catalisi (di nuovo), film sottili e rivestimenti, elaborazione per la microelettronica, strutture utilizzate nell'illuminazione a stato solido, e una varietà di altre aree tecnologiche. Il nostro approccio è stato quello di scegliere materiali relativamente semplici che abbiano applicazioni utili:silicio, germanio, rame, ma poi usa gli esperimenti per sondare la fisica di base alla base della reazione dei materiali e vedere come questo potrebbe insegnarci come costruire strutture più complesse. Quanto più semplice e generale è il modello che spiega le nostre osservazioni, più siamo felici.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.