فهرست مطالب
میکروسکوپ الکترونی جدید آمریکا با وضوح انرژی ۲۰۰ برابر بیشتر، پژوهش در باتریها، تراشهها، مواد کوانتومی و فناوریهای انرژی پاک را متحول میکند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، وزارت انرژی آمریکا این میکروسکوپ روبشی عبوری الکترونی (Scanning Transmission Electron Microscope) سفارشی را در مرکز نانومواد کاربردی (CFN) آزمایشگاه ملی بروکهیون (BNL) نصب کرده است که امکان بررسی همزمان ساختار اتمی، ترکیب شیمیایی و رفتار الکترونیکی مواد را فراهم میکند. این دستگاه به دلیل بهرهگیری از سامانه فیلتر انرژی کاملاً جدید، وضوح انرژی ۲۰۰ برابر بالاتری نسبت به میکروسکوپهای الکترونی رایج ارائه میدهد و پژوهشگران را قادر میسازد جزئیات مواد را در سطح اتمی با دقت بیسابقهای مشاهده کنند.
این میکروسکوپ به طور اختصاصی برای این مرکز طراحی شده است و میتواند ساختار اتمی، ترکیب شیمیایی و ویژگیهای الکترونیکی یک ماده را به صورت همزمان بررسی کند. دانشمندان معتقد هستند این قابلیت، شکاف میان میکروسکوپهای الکترونی و تأسیسات پیشرفته پرتوی ایکس سینکروترونی را از میان برمیدارد و امکان انجام آزمایشهایی را فراهم میکند که پیشتر ممکن نبود.
ییمی ژو، فیزیکدان ارشد و سرپرست گروه میکروسکوپ الکترونی پیشرفته در آزمایشگاه ملی بروکهیون بیان کرد که این پروژه، مرزهای فناوری میکروسکوپهای الکترونی را جابهجا کرده است و توانسته است محدودیتهای نسل فعلی این تجهیزات را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
بیشتر بخوانید: میکروسکوپ دونوره حرکات میکرو و نانو را همزمان ثبت می کند
تصویربرداری همزمان میکروسکوپ الکترونی از دو سطح مواد
یکی از مهمترین قابلیتهای این دستگاه، استفاده از دو آشکارساز الکترون ثانویه است که امکان تصویربرداری همزمان از سطح بالا و پایین یک نمونه را با وضوح اتمی فراهم میکنند. این ویژگی برای مطالعه کاتالیزورها اهمیت زیادی دارد، چرا که عملکرد این مواد به ساختار سطح آنها وابسته است.
کاتالیزورها نقش کلیدی در بسیاری از فرایندهای تبدیل و ذخیرهسازی انرژی ایفا میکنند. بررسی تغییرات ساختاری آنها هنگام انجام واکنشهای شیمیایی میتواند به طراحی باتریهای پیشرفتهتر، سلولهای سوختی کارآمدتر و فناوریهای نوین انرژی پاک کمک کند.
جودیت یانگ، سرپرست گروه میکروسکوپ الکترونی مرکز نانومواد کاربردی اعلام کرد که پژوهشگران اکنون میتوانند هر دو سطح یک کاتالیزور را پیش و پس از انجام واکنش بررسی کنند و ارتباط میان تغییرات ساختاری و عملکرد شیمیایی آن را با دقت بسیار بیشتری بشناسند.
همچنین این میکروسکوپ نسخه ارتقایافتهای از روش طیفسنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) را در اختیار پژوهشگران قرار میدهد. این روش میزان انرژی از دسترفته الکترونها هنگام عبور از یک ماده را اندازهگیری میکند و اطلاعات ارزشمندی درباره حالتهای اکسیداسیون، نوع پیوندهای شیمیایی و تغییرات مواد در هنگام شارژ و تخلیه باتری ارائه میدهد.
سامانه اپتیکی بازطراحیشده این دستگاه، محدوده انرژی قابل اندازهگیری را بیش از پنج برابر افزایش داده است. این ویژگی امکان مطالعه دقیقتر رفتار الکترونی مواد پیشرفته را فراهم میکند و اطلاعاتی را در اختیار دانشمندان قرار میدهد که پیشتر دستیابی به آنها دشوار بود.
بیشتر بخوانید: میکروسکوپ هوشمند جدید با هزینه کمتر، تصاویر دقیقتر ثبت میکند
مناسب برای مواد کوانتومی و پژوهشهای آینده
سامانه فیلتر انرژی این میکروسکوپ، وضوح انرژی را تا ۲۰۰ برابر نسبت به تجهیزات رایج افزایش داده است. این پیشرفت امکان استفاده از طیفسنجی اتلاف انرژی الکترون وابسته به تکانه را فراهم میکند؛ روشی که برای مطالعه شبهذراتی مانند فونونها، مگنونها و پلاسمونها کاربرد دارد.
این شبهذرات نقش مهمی در انتقال گرما، رفتار مغناطیسی و برهمکنش مواد با نور و جریان الکتریکی دارند. شناخت دقیق آنها میتواند به توسعه نسل جدید تراشهها، تجهیزات کوانتومی و مواد الکترونیکی پیشرفته کمک کند.
یکی دیگر از ویژگیهای مهم این دستگاه، امکان کار در ولتاژهای پایین تا ۲۰ کیلوالکترونولت است. بیشتر میکروسکوپهای الکترونی با ولتاژ ۱۰۰ تا ۳۰۰ کیلوالکترونولت کار میکنند، اما ولتاژ پایینتر باعث میشود آسیب بسیار کمتری به نمونههای حساس وارد شود و در عین حال کیفیت تصویربرداری در مقیاس اتمی حفظ شود.
بیشتر بخوانید: سریع ترین میکروسکوپ الکترونی جهان ساخته شد
این قابلیت برای مطالعه مواد دوبعدی کوانتومی که تنها از یک یا چند لایه اتمی تشکیل شدهاند اهمیت ویژهای دارد. به گفته ییمی ژو، الکترونهای کمانرژی علاوه بر افزایش قدرت پراکندگی، از تخریب نمونههای حساس نیز جلوگیری میکنند.
نرمافزار مبتنی بر زبان برنامهنویسی پایتون این سامانه امکان کنترل از راه دور را نیز فراهم کرده است. پژوهشگران معتقد هستند این قابلیت میتواند در آینده زمینه استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای انجام خودکار آزمایشهای میکروسکوپی را فراهم کند و سرعت پژوهشهای علمی را افزایش دهد.
بر اساس اعلام آزمایشگاه ملی بروکهیون، قرار است بهزودی یک میکروسکوپ الکترونی پیشرفته دیگر نیز به این مرکز اضافه شود تا ظرفیت پژوهشی آن بیش از پیش گسترش یابد.
سویئون هوانگ، استاد دانشیار دانشگاه دونگگوک کره جنوبی که در تهیه این دستگاه نقش داشته است، گفت که این میکروسکوپ امکان انجام آزمایشهایی را فراهم میکند که پیش از این دستنیافتنی بودند و انتظار میرود کاربران این مرکز به کشفیات علمی مهمی در حوزه مواد پیشرفته، باتریها، نیمههادیها و فناوریهای کوانتومی دست پیدا کنند.
