Cento anni fa, "2d" significava due soldi, o 1 pollice, chiodo. Oggi, "2-D" comprende un'ampia gamma di materiali piatti atomicamente sottili, molti con proprietà esotiche che non si trovano negli equivalenti sfusi degli stessi materiali, con il grafene, la forma di carbonio spessa un solo atomo, forse la più importante. Mentre molti ricercatori al MIT e altrove stanno esplorando i materiali bidimensionali e le loro proprietà speciali, Francesca M. Ross, l'Ellen Swallow Richards Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, è interessato a cosa succede quando questi materiali 2-D e i normali materiali 3-D si uniscono.

"Siamo interessati all'interfaccia tra un materiale 2-D e un materiale 3-D perché ogni materiale 2-D che si desidera utilizzare in un'applicazione, come un dispositivo elettronico, deve ancora parlare con il mondo esterno, che è tridimensionale, " dice Rossi.

"Siamo in un momento interessante perché ci sono enormi sviluppi nella strumentazione per la microscopia elettronica, e c'è un grande interesse per i materiali con strutture e proprietà controllate in modo molto preciso, e queste due cose si incrociano in modo affascinante, "dice Rossi.

"Le opportunità sono molto entusiasmanti, " Dice Ross. "Stiamo davvero migliorando le capacità di caratterizzazione qui al MIT." Ross è specializzato nell'esaminare come i materiali su scala nanometrica crescono e reagiscono sia nei gas che nei mezzi liquidi, registrando filmati utilizzando la microscopia elettronica. La microscopia delle reazioni nei liquidi è particolarmente utile per comprendere i meccanismi delle reazioni elettrochimiche che regolano le prestazioni dei catalizzatori, batterie, celle a combustibile, e altre importanti tecnologie. "Nel caso della microscopia in fase liquida, puoi anche guardare la corrosione dove le cose si dissolvono, mentre nei gas puoi osservare come crescono i singoli cristalli o come reagiscono i materiali, dire, ossigeno, " lei dice.

Ross si è unito alla facoltà del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) lo scorso anno, passando dal dipartimento di analisi dei materiali su scala nanometrica presso l'IBM Thomas J. Watson Research Center. "Ho imparato moltissimo dai miei colleghi IBM e spero di estendere la nostra ricerca nella progettazione dei materiali e nella crescita in nuove direzioni, " lei dice.

Registrazione di filmati

Durante una recente visita al suo laboratorio, Ross ha spiegato una configurazione sperimentale donata al MIT da IBM. Per primo è arrivato un sistema di evaporazione ad altissimo vuoto, da fissare in seguito direttamente su un microscopio elettronico a trasmissione appositamente progettato. "Questo offre potenti possibilità, " spiega Ross. "Possiamo mettere un campione nel vuoto, puliscilo, fare ogni sorta di cose come riscaldare e aggiungere altri materiali, quindi trasferirlo sotto vuoto nel microscopio, dove possiamo fare più esperimenti mentre registriamo le immagini. Quindi possiamo, Per esempio, depositare silicio o germanio, o evaporare metalli, mentre il campione è nel microscopio e il fascio di elettroni lo attraversa, e stiamo registrando un filmato del processo".

In attesa che questa primavera venga allestito il microscopio elettronico a trasmissione, membri del gruppo di ricerca di sette membri di Ross, tra cui la postdoc in scienze dei materiali e ingegneria Shu Fen Tan e la studentessa universitaria Kate Reidy, realizzato e studiato una varietà di strutture autoassemblanti. Il sistema dell'evaporatore era alloggiato temporaneamente nello spazio di prototipazione di quinto livello di MIT.nano mentre il laboratorio di Ross veniva preparato nell'Edificio 13. "MIT.nano aveva le risorse e lo spazio; siamo stati felici di poter aiutare, "dice Anna Osherov, MIT.nano vicedirettore dei servizi per gli utenti.

"Tutti noi siamo interessati a questa grande sfida della scienza dei materiali, che è:"Come si fa un materiale con le proprietà che si desidera e, in particolare, come si usano le dimensioni su scala nanometrica per modificare le proprietà, e creare nuove proprietà, che non puoi ottenere da materiali sfusi?"" dice Ross.

Utilizzando il sistema di vuoto ultra alto, la studentessa universitaria Kate Reidy ha formato strutture di oro e niobio su diversi materiali 2-D. "L'oro ama crescere in piccoli triangoli, " osserva Ross. "Abbiamo parlato con persone nel campo della fisica e della scienza dei materiali su quali combinazioni di materiali sono le più importanti per loro in termini di controllo delle strutture e delle interfacce tra i componenti al fine di migliorare le proprietà di il materiale, " lei nota.

Shu Fen Tan ha sintetizzato nanoparticelle di nichel-platino e le ha esaminate usando un'altra tecnica, microscopia elettronica a cellule liquide. Poteva fare in modo che solo il nichel si dissolvesse, lasciando dietro di sé scheletri appuntiti di platino. "Dentro la cella liquida, siamo in grado di vedere tutto questo processo ad alte risoluzioni spaziali e temporali, " dice Tan. Spiega che il platino è un metallo nobile e meno reattivo del nichel, quindi nelle giuste condizioni il nichel partecipa a una reazione di dissoluzione elettrochimica e il platino viene lasciato indietro.

Il platino è un noto catalizzatore nella chimica organica e nei materiali delle celle a combustibile, note abbronzate, ma è anche costoso, quindi è desiderabile trovare combinazioni con materiali meno costosi come il nichel.

"Questo è un esempio della gamma di reazioni dei materiali che è possibile visualizzare al microscopio elettronico utilizzando la tecnica delle celle liquide, " Ross dice. "Puoi coltivare materiali; puoi inciderli via; puoi guardare, Per esempio, formazione di bolle e movimento dei fluidi."

Un'applicazione particolarmente importante di questa tecnica è lo studio del ciclo dei materiali delle batterie. "Ovviamente, Non posso mettere una batteria AA qui, ma potresti impostare i materiali importanti all'interno di questa cella liquida molto piccola e poi puoi spostarla avanti e indietro e chiedere, se lo carico e scarico 10 volte, che succede? Non funziona più come prima:come fa a guastarsi?", chiede Ross. "Nella cella a liquido è possibile osservare una sorta di analisi dei guasti e tutte le fasi intermedie di carica e scarica".

"Gli esperimenti di microscopia in cui vedi ogni fase di una reazione ti danno una possibilità molto migliore di capire cosa sta succedendo, " dice Rossi.

Motivi moiré

Il dottorando Reidy è interessato a come controllare la crescita dell'oro su materiali 2-D come il grafene, diseleniuro di tungsteno, e bisolfuro di molibdeno. Quando ha depositato oro sul grafene "sporco", macchie d'oro raccolte intorno alle impurità. Ma quando Reidy fece crescere l'oro su grafene che era stato riscaldato e ripulito dalle impurità, trovò perfetti triangoli d'oro. Depositare oro su entrambi i lati superiore e inferiore del grafene pulito, Reidy ha visto al microscopio caratteristiche note come motivi moiré, che sono causati quando le strutture cristalline sovrapposte sono fuori allineamento.

I triangoli d'oro possono essere utili come strutture fotoniche e plasmoniche. "Pensiamo che questo possa essere importante per molte applicazioni, ed è sempre interessante per noi vedere cosa succede, " Dice Reidy. Sta progettando di estendere il suo metodo di crescita pulita per formare cristalli metallici 3-D su materiali 2-D impilati con vari angoli di rotazione e altre strutture a strati misti. Reidy è interessata alle proprietà del grafene e del nitruro di boro esagonale ( hBN), così come due materiali che sono semiconduttori nella loro forma 2-D a strato singolo, bisolfuro di molibdeno (MoS2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2). "Un aspetto molto interessante nella comunità dei materiali 2-D sono i contatti tra materiali 2-D e metalli 3-D, " dice Reidy. "Se vogliono fare un dispositivo a semiconduttore o un dispositivo con grafene, il contatto potrebbe essere ohmico per il caso del grafene o un contatto Schottky per il caso dei semiconduttori, e l'interfaccia tra questi materiali è davvero, veramente importante."

"Puoi anche immaginare dispositivi che utilizzano il grafene proprio come uno strato distanziatore tra due altri materiali, " aggiunge Rossi.

Per i produttori di dispositivi, Reidy dice che a volte è importante far crescere un materiale 3D con la sua disposizione atomica allineata perfettamente con la disposizione atomica nello strato 2D sottostante. Questo è chiamato crescita epitassiale. Descrivendo un'immagine di oro cresciuto insieme con argento su grafene, Reidy spiega, "Abbiamo scoperto che l'argento non cresce epitassialmente, non fa quei cristalli singoli perfetti sul grafene che volevamo fare, ma depositando prima l'oro e poi depositandovi intorno l'argento, possiamo quasi costringere l'argento ad assumere una forma epitassiale perché vuole conformarsi a ciò che stanno facendo i suoi vicini d'oro".

Le immagini al microscopio elettronico possono anche mostrare imperfezioni in un cristallo come increspature o piegature, Note di Reid. "Una delle grandi cose della microscopia elettronica è che è molto sensibile ai cambiamenti nella disposizione degli atomi, " dice Ross. "Potresti avere un cristallo perfetto e sembrerebbe tutto della stessa tonalità di grigio, ma se hai un cambiamento locale nella struttura, anche un sottile cambiamento, la microscopia elettronica può rilevarlo. Anche se il cambiamento è solo all'interno dei primi strati di atomi senza influenzare il resto del materiale sottostante, l'immagine mostrerà caratteristiche distintive che ci permetteranno di capire cosa sta succedendo."

Reidy sta anche esplorando le possibilità di combinare il niobio, un metallo superconduttore a basse temperature, con un isolante topologico 2-D, tellururo di bismuto. Gli isolanti topologici hanno proprietà affascinanti la cui scoperta ha portato al Premio Nobel per la Fisica nel 2016. "Se depositi niobio sopra il tellururo di bismuto, con un'interfaccia molto buona, puoi fare giunzioni superconduttrici. Abbiamo esaminato la deposizione di niobio, e piuttosto che triangoli vediamo strutture che sembrano più dendritiche, " dice Reidy. Le strutture dendritiche assomigliano ai modelli di brina che si formano all'interno delle finestre in inverno, o i motivi piumati di alcune felci. La modifica della temperatura e di altre condizioni durante la deposizione di niobio può modificare i modelli che il materiale assume.

Tutti i ricercatori sono ansiosi che nuovi microscopi elettronici arrivino al MIT.nano per fornire ulteriori informazioni sul comportamento di questi materiali. "Nel prossimo anno accadranno molte cose, le cose stanno già aumentando, e ho persone fantastiche con cui lavorare. Un nuovo microscopio è in fase di installazione in MIT.nano e un altro arriverà l'anno prossimo. L'intera comunità vedrà i vantaggi delle migliori capacità di caratterizzazione della microscopia qui, " dice Rossi.

Osherov di MIT.nano osserva che due microscopi elettronici a trasmissione criogenica (cryo-TEM) sono installati e funzionanti. "Il nostro obiettivo è stabilire una comunità unica incentrata sulla microscopia. Incoraggiamo e speriamo di facilitare un'impollinazione incrociata tra i ricercatori crio-EM, principalmente focalizzato su applicazioni biologiche e materiale "morbido", così come altre comunità di ricerca in tutto il campus, " dice. L'ultima aggiunta di un microscopio elettronico a scansione a trasmissione con capacità analitiche migliorate (monocromatore ad altissima risoluzione energetica, Rivelatore STEM 4-D, Rilevatore EDS Super-X, tomografia, e diversi titolari in situ) introdotti da John Chipman Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali James M. LeBeau, una volta installato, migliorerà sostanzialmente le capacità di microscopia del campus del MIT. "Riteniamo che il professor Ross sia una risorsa immensa per consigliarci su come modellare l'approccio in situ alle misurazioni utilizzando la strumentazione avanzata che sarà condivisa e disponibile per tutti i ricercatori all'interno della comunità del MIT e oltre, " dice Osherov.

Piccole cannucce

"A volte sai più o meno cosa vedrai durante un esperimento di crescita, ma molto spesso c'è qualcosa che non ti aspetti, " Dice Ross. Mostra un esempio di nanofili di ossido di zinco che sono stati coltivati ​​usando un catalizzatore di germanio. Alcuni dei lunghi cristalli hanno un foro attraverso i loro centri, creando strutture che sono come piccole cannucce, circolare esternamente ma con interno di forma esagonale. "Questo è un singolo cristallo di ossido di zinco, e la domanda interessante per noi è perché le condizioni sperimentali creano queste sfaccettature all'interno, mentre l'esterno è liscio?" chiede Ross. "Le nanostrutture di ossido di metallo hanno così tante applicazioni diverse, e ogni nuova struttura può mostrare proprietà diverse. In particolare, passando alla nanoscala si ha accesso a un insieme diversificato di proprietà".

"In definitiva, vorremmo sviluppare tecniche per far crescere strutture ben definite da ossidi metallici, soprattutto se possiamo controllare la composizione in ogni punto della struttura, " dice Ross. Una chiave di questo approccio è l'autoassemblaggio, dove il materiale si costruisce da solo nella struttura che desideri senza dover modificare singolarmente ogni componente. "L'autoassemblaggio funziona molto bene per alcuni materiali, ma il problema è che c'è sempre qualche incertezza, una certa casualità o fluttuazioni. C'è uno scarso controllo sulle strutture esatte che ottieni. Quindi l'idea è cercare di capire l'autoassemblaggio abbastanza bene da essere in grado di controllarlo e ottenere le proprietà che desideri, " dice Rossi.

"Dobbiamo capire come gli atomi finiscono dove sono, quindi usa quella capacità di autoassemblaggio degli atomi per creare una struttura che vogliamo. Il modo per capire come le cose si autoassemblano è guardarle mentre lo fanno, e ciò richiede film con un'elevata risoluzione spaziale e una buona risoluzione temporale, " spiega Ross. La microscopia elettronica può essere utilizzata per acquisire informazioni strutturali e compositive e può persino misurare campi di deformazione o campi elettrici e magnetici. "Immagina di registrare tutte queste cose, ma in un film in cui controlli anche come crescono i materiali all'interno del microscopio. Una volta che hai realizzato un film su qualcosa che sta accadendo, analizzi tutti i passaggi del processo di crescita e li usi per capire quali principi fisici sono stati quelli chiave che hanno determinato come la struttura si è nucleata e si è evoluta e si è conclusa nel modo in cui lo fa."

Direzioni future

Ross spera di portare un'alta risoluzione unica, TEM ad alto vuoto con capacità di visualizzare la crescita dei materiali e altri processi dinamici. Intende sviluppare nuove capacità sia per ambienti a base d'acqua che a base di gas. Questo microscopio personalizzato è ancora in fase di progettazione ma sarà collocato in una delle sale della Imaging Suite di MIT.nano.

"Il professor Ross è un pioniere in questo campo, " dice Osherov. "La maggior parte degli studi TEM fino ad oggi sono stati statici, piuttosto che dinamico. Con le misurazioni statiche stai osservando un campione in una particolare istantanea nel tempo, quindi non ottieni alcuna informazione su come si è formato. Utilizzando misurazioni dinamiche, puoi guardare gli atomi che saltano da uno stato all'altro finché non trovano la posizione finale. La capacità di osservare i processi di autoassemblaggio e la crescita in tempo reale fornisce preziose intuizioni meccanicistiche. Non vediamo l'ora di portare queste funzionalità avanzate su MIT.nano", afferma.

"Una volta che una certa tecnica viene divulgata al pubblico, porta attenzione, " dice Osherov. "Quando i risultati sono pubblicati, i ricercatori ampliano la loro visione del design sperimentale sulla base delle capacità all'avanguardia disponibili, portando a molti nuovi esperimenti che saranno focalizzati su applicazioni dinamiche."

Le camere di MIT.nano presentano lo spazio più silenzioso del campus del MIT, progettati per ridurre le vibrazioni e le interferenze elettromagnetiche al livello più basso possibile. "C'è spazio disponibile per la professoressa Ross per continuare la sua ricerca e svilupparla ulteriormente, " dice Osherov. "La capacità di monitorare in situ la formazione della materia e delle interfacce troverà applicazioni in più campi in tutto il campus, e portare a un'ulteriore spinta dei limiti convenzionali della microscopia elettronica."

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.