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材料学家有救了:显微镜革命助力原子尺度上的探索

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  其中让亲们头疼不已的有你你是什么材料便是超薄二硫化钼材料层,你你是什么材料有望用于制造纤薄柔性电子产品。Muller和他美国康奈尔大学的同事花了多年时间在电子显微镜下观察MoS2样品,试图辨别其原子行态。

  David Muller和其团队的电子显微镜。

  Muller说,现象图片的症结便在于怎样才能清楚地观察硫原子,提高电子束的能量也能使图像更加清楚,但你你是什么过程又会将原子从MoS2层中敲出。任何希望也能明确了解你你是什么材料行态不够的人最终也有得不靠猜测。“那需要很大的勇气,正确率随后 也必须1000%。”跟跟我说。

  今年7月,Muller的团队报道了一项突破性成果。使用研究人员创造发明的超灵敏探测器和特殊的数据重建方式,亲们将MoS2的可观察尺度推进到了0.39埃,较传统电子显微镜提高了2.5倍。(1埃等于十分之一纳米,是原子键长度的常用度量单位。)

  随后模糊的硫原子现如今随后 清楚地显现出来了——哪几种必须填充硫原子的“孔洞”亦是必须。Muller说普通电子显微镜“就像螺旋桨飞机,而现在亲们有了一架喷气式飞机”。

  0.39埃分辨率的二硫化钼图像(右下图)也能显示出较低分辨率图像中无法看清的硫空位。

  Muller的图像代表了最新的一系列技术进步,哪几种进步引发了一场研究人员使用透射电子显微镜(TEM)进行科学研究的的革命。几乎和房间一样高的TEM也能发射电子束穿透样品,在比原子更小的尺度上进行探索。

  哪几种机器有望让科学家能看过随后无法看清的细节,从脆弱的下一代电子材料的行态到可用于乙炔气 分离的多孔物质的内部内部结构行态,都将一一纳入眼底。

  令人兴奋的不仅仅是高分辨率图像。哪几种进步还让研究人员也能随后所未有的方式探索材料的隐形属性,包括电场、磁场以及晶体内难以检测的振动。你你是什么研究人员正在将电子显微镜随后删改真空的内部内部结构转换成迷你实验室,随后亲们就需要研究样品在暴露于乙炔气 、乙炔气 或不同温度下也有发生怎样才能的变化。

  研究生Celesta Chang(左)和Gabriela Calinao Correa(右)正在康奈尔大学使用电子显微镜。

  有你你是什么能取得上述突破,另另一个 重要因素是电子敏感型快速探测器。哪几种探测器的前身随后 对生物学产生了一定影响,帮助揭示了蛋白质和其它物质行态的细节。若果不想通过传统的X射线晶体学来测量哪几种物质,即便也有删改不随后 ,也必将非常耗时。

  但研究人员表示,哪几种新技术的你你是什么优势必须在现在也能显现出来——不怎样才能是涉及纳米材料和其它合成体系的研究时。加州劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家Haimei Zheng说,在很长一段时间里,亲们也有“弄清楚究竟能做哪几种”,“我认为你你是什么领域现在已准备好去正确处理更重要的现象图片了。”

  更高的分辨率

  在有你你是什么程度上,电子显微镜自20世纪1000年代问世以来并未发生过多变化。现代TEM仍然发射一束电子穿透样品,探测器在另一端记录所得到的图像,随后 研究人员需要通过来自散射电子的信息来对样品行态进行重建。电子需要具有比可见光短几千倍的波长,随后 相比普通光学显微镜,TEM也能分辨更精细的细节。

  尽管基本的设计原理并未发生改变,但TEM的分辨率较早期的电子显微镜提高了10000多倍。最近的你你是什么次重大飞跃开始英文英文20年前左右,当时老是冒出了需要纠正电子束扭曲的电磁铁。到了21世纪的第另另一个 十年末,哪几种备受期待的像差校正器使TEM的分辨率达到了亚埃级别。

  来源:David Muller

  “对于材料科学领域的研究人员来说,像差校正器是一场大革命,”Muller说, “它不仅能你需要看过你看过的各种原子,还能提高工作的速度。”随后 为了充分利用这场分辨率革命,显微镜专家仍需要使用高能量的电子束透射样品,这愿因着脆弱的材料,包括任何生物材料,都随后 被损坏。

  生物学家很快实现了另一项创新。多年来,拍摄TEM图像的最佳方式都以辐射敏感闪烁体开始英文,其主要用途是将入射电子转换成随后 可被检测的光子。但你你是什么过程间接而低效,愿因图像模糊。

  当“直接电子探测器”在本世纪10年代初被广泛应用的随后,你你是什么状况才发生了改变。直接电子探测器需要直接有效地记录电子,借助较少的入射粒子产生更清晰的图像。生物学家将哪几种探测器与冷冻样品结合起来,创造发明了被称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的TEM技术,借由它揭示了多种生物分子的行态。该方式的三位创造创造发明也因其开拓性工作获得了去年的诺贝尔化学奖。

  Muller表示,对于你你是什么材料科学家来说,哪几种探测器的吸引力相对较小。一方面,它们无法承受每像素小量电子,随后 研究人员无法使用在最微小的尺度上观察物体所需的高速度电子束。

  哪几种探测器尤其不适合扫描透射电子显微镜(STEM),STEM中的电子将聚焦成更小、更亮的光束,随后 在样品上移动。现象图片的关键在于,冷冻电镜探测器在设计之时就也有为了同去捕捉无偏转通过样品的小量电子以及从原始路径发生偏转的小主次电子,而这你你是什么在STEM中至关重要。

  十年前,Muller和他的同事开始英文研究也能捕获所有哪几种电子的探测器。与冷冻电镜哪几种动辄拥有数百万像素的探测器不同,Muller团队的最终设备——被称为电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD),必须必须20,000像素。随后 EMPAD建立在半毫米厚的硅片上,随后 需要捕获击中它的电子的所有能量,从而辨别单个粒子以及主光束。

  为进一步说明你你是什么探测器的捕获范围之大,Muller将其喻为晴天时的背光照片。“你你是什么探测器需要同去获得太阳上所有黑子的图像以及我亲们脸上阴影的图像。”跟跟我说。

  正是你你是什么进步使Muller的团队今年也能借助有你你是什么需要正确处理多种散射模式的计算方式对MoS2片进行清晰的成像,你你是什么方式被称为叠层衍射成像。捕获样品散射的所有电子为研究人员提供了更多信息。

  譬如,电场和磁场随后 会改变电子的散射方式。2016年,Muller及其同事表明,亲们需要使用EMPAD分类分类整理的数据绘制样品中不同位置的磁场——这是通过其它方式难以实现的壮举。Muller现在十分感兴趣的另另一个 研究对象是斯格明子,这是有你你是什么纳米级的磁力漩涡,或可用于存储数据。

  在铁锗底片上呈现的磁力漩涡;颜色和箭头指示漩涡方向。

  何必 必须Muller另另一个 团队在建造广捕捉范围探测器。英国Quantum Detectors是三家基于Medipix构建电子显微镜探测器的公司之一,Medipix是瑞士日内瓦周围欧洲最大的粒子物理实验室CERN开发的有你你是什么芯片。与Quantum Detectors商务商务合作的英国格拉斯哥大学的显微镜专家Damien McGrouther表示:“我认为亲们让你你是什么大型制造商始料未及。”与此同去,Muller已将其技术授权给Thermo Fisher Scientific——一家总部发生马萨诸塞州沃尔瑟姆的大型研究用品公司。

  更精细的成像

  直接电子探测器需要减少电子束中的电子数量——随后 可用于照射一系列辐射敏感材料,包括金属有机框架(MOFs),研究人员正在探索你你是什么多孔晶体材料的多种用途,包括从沙漠空气中提取水分,将火山岩石石气与你你是什么碳氢化合物分离。

  哪几种研究对电子剂量的敏感度甚至比蛋白质还高,Ming Pan说道。Pan是一位物理学家,他在加州的电子显微镜公司Gatan从事业务拓展工作。2017年,他所在的团队使用配有Gatan探测器的TEM,在原子尺度上实现了对MOF的成像。

  直接电子探测器的灵敏度极高,速度极快,需要达到每秒10000多帧,这你你是什么引起了致力于将电子显微镜的观察范围拓展到静态行态之外的研究人员的注意。

  多亏了微细加工技术,现如今需要制作功能多样的样品架放置在电子显微镜的真空内部内部结构。 研究人员需要控制温度,施加张力和压缩力,将样品暴露在乙炔气 中,甚至禁闭乙炔气 溶液,以了解材料在相、行态或化学行态方面会发生哪几种变化。

  麻省理工学院的材料科学家Frances Ross表示,这其中你你是什么想法何必 新鲜。通过翻阅旧文献,她惊喜地发现科学家从20世纪40年代就开始英文讨论怎样才能在另另一个 薄窗之间观察水。“哪几种想法很早随后便有,”她说,“但当时并必须材料和制造技术也能以实际的方式实现它们。”

  Ross被认为是将乙炔气 电池变成随后 的功臣之一。21世纪初期担任IBM研究员期间,Ross和她的同事建造了另另一个 带有氮化硅窗格的支架,该支架足够薄,需要让电子以相对不受阻碍的方式穿过。从那时起,研究人员就随后 开始英文探索你你是什么可用于乙炔气 电池的材料了,如石墨烯。

  在劳伦斯伯克利实验室,Zheng正在领导一项数百万美元的美国能源部计划,致力于进一步开发这项技术。她和同事将适用于冷冻电镜观察液态样品的探测器进行了改良。此外,亲们对电池电极和电解质之间的交互界面也十分感兴趣——这是另另一个 关键领域,其中被称为“枝晶”的金属丝的形成现象图片需要缩短电池的寿命,甚至愿因其爆炸。

  她说,哪几种研究利于设计能提高电池性能和研究新电池成分的方式。当研究人员不想测试材料时,亲们时不随后制造有你你是什么被称为纽扣电池的小电池,以了解整体性能表现。随后 ,Zheng说,那个电池“几乎就像另另一个 黑匣子。亲们他不知道内部内部结构发生了哪几种”。她说,研究人员需要通过乙炔气 电池去了解最终会决定电池性能的纳米级行为,包括枝晶的生长方式。

  透射电子显微镜下生长在乙炔气 电池膜上的海藻状氧化铁纳米枝晶。

  乙炔气 电池研究也面临着各种挑战。de Yoreo表示,其中最大的挑战之一是电子在遇到水或有机溶剂也有造成巨大破坏,其产生的带电自由基会破坏样品,改变pH值,或产生还原物质愿因意外反应发生。此外,在显微镜内测量诸如pH值和温度等定量数据也较为困难。

  随后 另一方则深受最近电子束效应研究的鼓舞。英国高级显微镜研发和使用中心 SuperSTEM的材料学家Patricia Abellan表示,她随后 看过“理解电子束与物质相互作用领域的一场革命”,不怎样才能是在乙炔气 系统中。

  你你是什么变化在很大程度上得益于和专注于研究受核辐射影响材料的科研人员的商务商务合作。在过去的几年里,Abellan和另一方随后 探索了换成物怎样才能控制颗粒的生长,改变pH值;以及除水之外的你你是什么溶剂如甲苯随后 怎样才能限制电子束对乙炔气 中样品的影响。

  更完美的电子束

  对电子束进行改良也是推动电子显微镜进步的因素之一。“单色器”允许研究人员缩小穿透样品的电子能量范围。有了能量更集中的电子束,再换成光谱仪和你你是什么仪器,电子显微镜也能超越材料的基本行态和组成,以更精细的分辨率观测材料更冗杂的属性,同类材料原子晶格中的振动——声子。Abellan说,在原子尺度上观测哪几种振动“将为大主次现代技术面前的关键工艺提供充沛的信息”,同类材料是怎样才能导电或导热的。

  你你是什么研究人员正在把电子束当作有你你是什么独立工具来正确处理材料。今年早些随后,维也纳大学的物理学家Toma Susi和他的同事使用STEM电子束将硅原子从六边形石墨烯晶格中的另另一个 位置移动到随后位置。

  Susi说,多年来亲们随后 使用扫描隧道显微镜对原子结合力相对较弱的材料进行了同类的操作,但结果何必 稳定。随后 原子必须保持在低温状况,热能随后 会消除新的行态。电子显微镜也能进行更高能量的工作。“使用电子显微镜对材料进行正确处理后,”跟跟我说,“其结果是稳定的。”研究人员希望你你是什么能力也能用于在三维行态内移动原子位置,进而创创造发明,比如说,用于量子计算的小型设备。

  使用扫描透射电子显微镜的聚焦电子束使硅杂质在六边形石墨烯晶格内移动,跳跃速度可达到每分钟四次。

  在比利时的安特卫普大学,Johan Verbeeck希望通过将电子穿过需要改变其相位的板来使电子成为更冗杂的探针。通过在电子通过样品随后将额外信息嵌入电子中,研究人员或许也能获得更多关于样品行态的数据。“亲们的诉求是从同另另一个 电子中挖掘更多的信息。”Verbeeck说。

  Sommerdijk还不怎样才能提到了英国利物浦大学Nigel Browning的工作。Browning老是致力于探索怎样才能控制STEM电子束以尽量减少损害。随后一来,电子显微镜需要只击中样品中的一主次点,而也有进行全面扫描。随后 正确处理得当,你你是什么散点采样仍然需要产生小量有用的数据。“我确实这项研究非常精彩。”Sommerdijk说,并补充说你你是什么技术在乙炔气 研究中不怎样才能有用。

  Muller何必 满足于当下,他还有你你是什么感兴趣的方向,比如,他希望知道删改的材料研究是与否需要从室温延伸到低温状况——这对电子显微镜的机械稳定性提出了更高的要求。但跟跟我说显微镜领域正在快速发展,“我认为必须人止步不前。每另一方也有考虑下一步要创造哪几种。”