L'utilizzo di uno strumento familiare in un modo per cui non è mai stato concepito per essere utilizzato apre un metodo completamente nuovo per esplorare i materiali, rapporto ricercatori UConn in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Le loro scoperte specifiche potrebbero un giorno creare chip per computer molto più efficienti dal punto di vista energetico, ma la nuova tecnica stessa potrebbe aprire nuove scoperte in una vasta gamma di materie.

I microscopi a forza atomica (AFM) trascinano una punta ultra affilata attraverso i materiali, mai così vicino ma senza mai toccare la superficie. La punta può sentire dove si trova la superficie, rilevamento delle forze elettriche e magnetiche prodotte dal materiale. Passandolo metodicamente avanti e indietro, un ricercatore può mappare le proprietà della superficie di un materiale nello stesso modo in cui un geometra cammina metodicamente su un pezzo di terra per mappare il territorio. Gli AFM possono fornire una mappa dei fori di un materiale, sporgenze, e proprietà su una scala migliaia di volte più piccola di un granello di sale.

Gli AFM sono progettati per studiare le superfici. La maggior parte delle volte, l'utente si sforza molto di non urtare il materiale con la punta, in quanto ciò potrebbe danneggiare la superficie del materiale. Ma a volte succede. Alcuni anni fa, studente laureato Yasemin Kutes e Justin Luria, un postdottorato, studiando le celle solari nel laboratorio di scienza dei materiali e ingegneria del professore Brian Huey, scavato accidentalmente nel loro campione. In un primo momento pensando che fosse un errore irritante, hanno notato che le proprietà del materiale sembravano diverse quando Kutes ha infilato la punta dell'AFM in profondità nel fossato che aveva scavato accidentalmente.

Kutes e Luria non lo perseguirono. Ma un altro studente laureato, James Steffe, è stato ispirato a guardare più da vicino l'idea. Cosa accadrebbe se usassi intenzionalmente la punta di un AFM come uno scalpello, e scavato in un materiale, si chiese? Sarebbe in grado di mappare le proprietà elettriche e magnetiche strato per strato, costruire un'immagine 3-D delle proprietà del materiale nello stesso modo in cui ha mappato la superficie in 2-D? E le proprietà avrebbero un aspetto diverso in profondità all'interno di un materiale?

Le risposte, Steffe, Huey, e i loro colleghi riferiscono in PNAS , sono si e si. Hanno scavato in un campione di ferrite di bismuto (BiFeO3), che è un multiferroico a temperatura ambiente. I multiferroici sono materiali che possono avere più proprietà elettriche o magnetiche contemporaneamente. Per esempio, la ferrite di bismuto è sia antiferromagnetica:risponde ai campi magnetici, ma nel complesso non mostra un polo magnetico nord o sud e ferroelettrico, il che significa che ha polarizzazione elettrica commutabile. Tali materiali ferroelettrici sono solitamente composti da sezioni minuscole, chiamati domini. Ogni dominio è come un gruppo di batterie che hanno tutte i terminali positivi allineati nella stessa direzione. I cluster su entrambi i lati di quel dominio saranno puntati in un'altra direzione. Sono molto preziosi per la memoria del computer, perché il computer può capovolgere i domini, 'scrittura' sul materiale, utilizzando campi magnetici o elettrici.

Quando uno scienziato dei materiali legge o scrive informazioni su un pezzo di ferrite di bismuto, normalmente possono vedere solo ciò che accade in superficie. Ma a loro piacerebbe sapere cosa succede sotto la superficie, se questo fosse compreso, potrebbe essere possibile ingegnerizzare il materiale in chip per computer più efficienti che funzionano più velocemente e utilizzano meno energia di quelli disponibili oggi. Ciò potrebbe fare una grande differenza nel consumo energetico complessivo della società:già, Il 5% di tutta l'elettricità consumata negli Stati Uniti va a computer in funzione.

Per scoprirlo, Steffe, Huey, e il resto della squadra ha usato una punta AFM per scavare meticolosamente attraverso un film di ferrite di bismuto e mappare l'interno, pezzo dopo pezzo. Hanno scoperto di poter mappare i singoli domini fino in fondo, esponendo modelli e proprietà che non erano sempre evidenti in superficie. A volte un dominio si restringeva fino a scomparire o si divideva in una forma a y, o unito a un altro dominio. Nessuno era mai stato in grado di vedere all'interno del materiale in questo modo prima. è stato rivelatore, come guardare una TAC 3-D di un osso quando prima eri in grado di leggere solo i raggi X 2-D.

"In tutto il mondo, ci sono qualcosa come 30, 000 AFM già installati. Una grande parte di questi proverà la [mappatura 3D con] AFM nel 2019, mentre la nostra comunità si rende conto di aver appena grattato la superficie per tutto questo tempo, " Huey prevede. Pensa anche che più laboratori acquisteranno AFM ora se si dimostrerà che la mappatura 3D funziona per i loro materiali, e alcuni produttori di microscopi inizieranno a progettare AFM specificamente per la scansione 3D.

Steffes si è successivamente laureato alla UConn con il suo dottorato di ricerca. e ora lavora presso GlobalFoundries, un produttore di chip per computer. Ricercatori dell'Intel, muRata, e altrove sono anche incuriosito da ciò che il gruppo ha scoperto sulla ferrite di bismuto, mentre cercano nuovi materiali per realizzare la prossima generazione di chip per computer. La squadra di Huey, nel frattempo, sta ora utilizzando AFM per scavare in tutti i tipi di materiali, dal cemento all'osso a una miriade di componenti per computer.

"Lavorare con partner accademici e aziendali, possiamo usare la nostra nuova intuizione per capire come progettare meglio questi materiali per utilizzare meno energia, ottimizzare le proprie prestazioni, e migliorare la loro affidabilità e durata:questi sono esempi di ciò che gli scienziati dei materiali si sforzano di fare ogni giorno, " dice Huy.