I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo metodo per ospitare le molecole di gas mentre vengono analizzate in tempo reale, utilizzando strutture a nido d'ape presenti in natura come ispirazione per una membrana ceramica ultrasottile che hanno incorporato per racchiudere il campione.
Oltre a dedurre le firme degli atomi di gas attraverso i loro legami unici, la strategia di incapsulamento funziona all'interno dei microscopi elettronici a trasmissione ad alto vuoto (TEM) per migliorare l'imaging delle nanostrutture solide. Questi strumenti possono essere utilizzati a tutti i livelli, dai laboratori nazionali che conducono ricerca di base alle start-up innovative che creano applicazioni pratiche.
Quando gli elettroni si disperdono dal loro percorso originale mentre attraversano un campione, la risoluzione dell'immagine e il contrasto si degradano. Progettato da un team di scienziati dei materiali della Northwestern, il microchip di nitruro di silicio risultante ha ridotto al minimo la dispersione dello sfondo.
"Il nostro team ha sviluppato una membrana così sottile che gli elettroni possono passare attraverso il nanoreattore con una distrazione minima", ha detto lo scienziato dei materiali Vinayak Dravid. "Abbiamo ancorato una pellicola ultrasottile di nitruro di silicio sulla nostra struttura a nido d'ape che ci fornisce una cella con membrane su entrambi i lati."
L'articolo è stato pubblicato il 17 gennaio sulla rivista Science Advances .
Dravid, uno degli autori dell'articolo, è il professore di scienza e ingegneria dei materiali Abraham Harris presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e il direttore fondatore del NUANCE Center, dove è stato condotto il lavoro. Ricopre anche il ruolo di direttore associato delle iniziative globali presso l'Istituto internazionale per le nanotecnologie.
Insieme a Xiaobing Hu, co-autore corrispondente e professore associato di ricerca presso il dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria, e Kunmo Koo, primo autore e ricercatore associato presso il Centro NUANCE, il gruppo di ricerca Dravid ha sviluppato la piattaforma per celle a gas utilizzando una membrana -un quinto dello spessore dei microchip disponibili in commercio.
Le immagini prima e dopo che mostravano le reazioni erano sorprendenti.
"Lo spessore delle membrane convenzionali tende ad essere molto grande per mantenere l'integrità meccanica sotto il vuoto estremamente elevato creato dal microscopio", ha detto Dravid. "Immagina che dovrei avere occhiali molto spessi che assorbono molta luce e, di conseguenza, non vedo molto. Le immagini che abbiamo prodotto con la nostra invenzione sembrano quasi come se gli occhiali fossero stati disappannati."
Dravid paragonò la differenza a quella del telescopio spaziale James Webb, in cui corpi precedentemente invisibili venivano messi a fuoco. È importante sottolineare che la membrana ha permesso al team di utilizzare la spettroscopia per eseguire un'analisi "fino a una manciata di atomi di gas", individuando, ad esempio, una differenza tra molecole precedentemente identiche come l'anidride carbonica (CO2 ) e monossido di carbonio (CO), che sono fondamentali nelle tecnologie emergenti di energia pulita.
La spettroscopia consente ai ricercatori di vedere come gli elettroni interagiscono con gli atomi che stanno fotografando, vedendo come assorbono, riflettono o emettono energie specifiche rivelando al contempo un'impronta spettroscopica unica.
Sviluppare un metodo per analizzare come le cose cambiano con il tempo, la pressione e la temperatura e vedere come i fluidi interagiscono con le nanoparticelle è fondamentale per le tecnologie emergenti di energia pulita e batterie a livello molecolare. Con questo nuovo progresso, le tecnologie applicate come il fotovoltaico e i sistemi energetici catalitici possono essere analizzate meglio su scala nanometrica ed elettronica.
"La membrana ceramica ultrasottile può essere applicata a una disciplina più ampia, non limitata solo alla microscopia elettronica", ha affermato Hu. "Ad esempio, si prevedono risultati migliori per le caratterizzazioni della luce o dei raggi X. E la strategia può essere ampiamente estesa a diaframmi e componenti meccanici che richiedono uno spessore ridotto ma un'elevata resistenza meccanica."
Con la nuova tecnica, i ricercatori possono vedere risoluzioni fino a circa 1,02 angstrom, rispetto ai circa 2,36 angstrom degli esperimenti precedenti. Il team ha affermato di aver raggiunto la più alta risoluzione spaziale e visibilità spettrale mai registrate finora nel loro campo.
Oltre ai microscopi, il team spera di applicare la tecnologia della propria piattaforma ad altri problemi, poiché la tecnica di incapsulamento potrebbe applicarsi a qualsiasi microchip o tecnica basata su ottica.
"In qualsiasi campo, più sottile è meglio perché ottieni meno informazioni dal contenitore spesso rispetto all'oggetto interno stesso", ha affermato Koo.
Ulteriori informazioni: Kunmo Koo et al, Microchip ultrasottile di nitruro di silicio per microscopia in situ/operando con elevata risoluzione spaziale e visibilità spettrale, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dalla Northwestern University
