 |
| Χρονική αλληλουχία εικόνων STEM ενός συμπλέγματος πυριτίου σε πόρο γραφενίου. Τα άτομα ταλαντεύονται ανάμεσα σε δύο διαμορφώσεις. Η κλίμακα στην πάνω αριστερή εικόνα είναι 0,2 nm. |
Ερευνητές στις ΗΠΑ έχουν καταφέρει να απεικονίσουν την κίνηση μπρος-πίσω, ατόμων πυριτίου που είναι συγκεντρωμένα σε πόρους γραφενίου.
Τα να είμαστε σε θέση να αναλύσουμε αυτές τις μικρές ομάδες με αυτό τον τρόπο θα μπορούσε να βελτιώσει την γνώση μας για το πώς διαφορετικές ατομικές διαμορφώσεις καθορίζουν τις ιδιότητες ενός υλικού.
Η ικανότητα να κατασκευάσουμε ομάδες με συγκεκριμένες ιδιότητες θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες συσκευές για την ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική. Επίσης, μια καλύτερη κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται οι πόροι στο γραφένιο, θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρακτικές εφαρμογές, όπως η αφαλάτωση του νερού.
Εργαζόμενοι στο Oak Ridge National Lab (ORNL), πέτυχαν τον άθλο, χρησιμοποιώντας γραφένιο να παγιδεύσουν ομάδες ατόμων πυριτίου, που η καθεμία αποτελείται από έξι άτομα. Το γραφένιο είναι ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου, που έχει κυψελοειδή δομή πλέγματος. Οι ομάδες καρφώνονται στη θέση των "νανοπόρων" στο γραφένιο, κάτι που επιτρέπει να απεικονιστούν άμεσα με μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων (STEM) χαμηλής τάσης (60 kV).
Εργαζόμενοι στο Oak Ridge National Lab (ORNL), πέτυχαν τον άθλο, χρησιμοποιώντας γραφένιο να παγιδεύσουν ομάδες ατόμων πυριτίου, που η καθεμία αποτελείται από έξι άτομα. Το γραφένιο είναι ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου, που έχει κυψελοειδή δομή πλέγματος. Οι ομάδες καρφώνονται στη θέση των "νανοπόρων" στο γραφένιο, κάτι που επιτρέπει να απεικονιστούν άμεσα με μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων (STEM) χαμηλής τάσης (60 kV).
Ευαισθησία ενός-ατόμου
«Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός STEM σε σύγκριση με άλλες τεχνικές μικροσκοπίας είναι ότι μπορούμε να επιτύχουμε κρυσταλλογραφικές πληροφορίες σχετικά με το δείγμα - δηλαδή, ατομικές θέσεις», εξηγεί ο Χουάν-Κάρλος από το Oak Ridge του Idrobo."Μπορούμε επίσης να εντοπίσουμε χημικά στοιχεία που υπάρχουν στο δείγμα, είτε μέσω ποσοτικοποιημένης απεικόνισης ή με την απεικόνιση του φάσματος χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας (EELS). Ένα άλλο καλό πλεονέκτημα των πειραμάτων STEM είναι ότι είναι ευαίσθητα σε ενιαία άτομα, κάτι που μας επιτρέπει να μετρήσουμε απευθείας πόσα άτομα ήταν στο σύμπλεγμα του πυριτίου που μελετήσαμε."
Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες ήταν σε θέση να εξετάσουν ομάδες πυριτίου στο εργαστήριο. Αλλά σύμφωνα με το μέλος της ομάδας, Jaekwang Lee, οι προηγούμενες παρατηρήσεις ήταν έμμεσες. Επιπλέον, δεν είχε καταστεί δυνατό να προσδιοριστεί η ακριβής 3D ατομική δομή των συστάδων.
«Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός STEM σε σύγκριση με άλλες τεχνικές μικροσκοπίας είναι ότι μπορούμε να επιτύχουμε κρυσταλλογραφικές πληροφορίες σχετικά με το δείγμα - δηλαδή, ατομικές θέσεις», εξηγεί ο Χουάν-Κάρλος από το Oak Ridge του Idrobo."Μπορούμε επίσης να εντοπίσουμε χημικά στοιχεία που υπάρχουν στο δείγμα, είτε μέσω ποσοτικοποιημένης απεικόνισης ή με την απεικόνιση του φάσματος χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας (EELS). Ένα άλλο καλό πλεονέκτημα των πειραμάτων STEM είναι ότι είναι ευαίσθητα σε ενιαία άτομα, κάτι που μας επιτρέπει να μετρήσουμε απευθείας πόσα άτομα ήταν στο σύμπλεγμα του πυριτίου που μελετήσαμε."
Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες ήταν σε θέση να εξετάσουν ομάδες πυριτίου στο εργαστήριο. Αλλά σύμφωνα με το μέλος της ομάδας, Jaekwang Lee, οι προηγούμενες παρατηρήσεις ήταν έμμεσες. Επιπλέον, δεν είχε καταστεί δυνατό να προσδιοριστεί η ακριβής 3D ατομική δομή των συστάδων.
Δεν βγαίνουν έξω
Μία σημαντική παρατήρηση που έγινε από τους ερευνητές του ORNL είναι ότι ένα από τα άτομα πυριτίου στο σύμπλεγμα άλλαξε τη θέση του εντός της δομής, κινείται εμπρός και πίσω ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες θέσεις. "Αυτό που παρατηρήθηκε πριν από τη STEM απεικόνιση ήταν ότι τα άτομα απλά «πετάνε έξω» από το δείγμα με τη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, αλλά εντοπίστηκε ένα άτομο πυριτίου που έμεινε μέσα στη συστάδα και «χόρευε» μπρος-πίσω," λέει ο Idrobo.
Χρησιμοποιώντας απλούς υπολογισμούς, η ομάδα ήταν επίσης σε θέση να χαρτογραφήσει τις ενέργειες του συμπλέγματος πυριτίου όταν συνδυάστηκαν με την δέσμη ηλεκτρονίων και να υπολογίσει πόση ενέργεια ήταν απαραίτητη για ένα μεμονωμένο άτομο πυριτίου μέσα σε μια συστάδα να εναλλάσσεται σε διάφορες θέσεις.
"Η σύλληψη ατομικών συστάδων μέσα νανοπόρους γραφενίου μπορεί να οδηγήσει σε εφαρμογές σε μια σειρά από τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρονικής και οπτοηλεκτρονικής και κατάλυσης", προσθέτει ο Idrobo.
Μία σημαντική παρατήρηση που έγινε από τους ερευνητές του ORNL είναι ότι ένα από τα άτομα πυριτίου στο σύμπλεγμα άλλαξε τη θέση του εντός της δομής, κινείται εμπρός και πίσω ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες θέσεις. "Αυτό που παρατηρήθηκε πριν από τη STEM απεικόνιση ήταν ότι τα άτομα απλά «πετάνε έξω» από το δείγμα με τη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, αλλά εντοπίστηκε ένα άτομο πυριτίου που έμεινε μέσα στη συστάδα και «χόρευε» μπρος-πίσω," λέει ο Idrobo.
Χρησιμοποιώντας απλούς υπολογισμούς, η ομάδα ήταν επίσης σε θέση να χαρτογραφήσει τις ενέργειες του συμπλέγματος πυριτίου όταν συνδυάστηκαν με την δέσμη ηλεκτρονίων και να υπολογίσει πόση ενέργεια ήταν απαραίτητη για ένα μεμονωμένο άτομο πυριτίου μέσα σε μια συστάδα να εναλλάσσεται σε διάφορες θέσεις.
"Η σύλληψη ατομικών συστάδων μέσα νανοπόρους γραφενίου μπορεί να οδηγήσει σε εφαρμογές σε μια σειρά από τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρονικής και οπτοηλεκτρονικής και κατάλυσης", προσθέτει ο Idrobo.
Μελετώντας καταλύτες
Ατενίζοντας το μέλλον, μια απλή νέο πείραμα θα πρέπει να είναι πρότυπο, το γραφενίου με πόρους συγκεκριμένα μεγέθη και στη συνέχεια να ενσωματώσετε ομάδες με διαφορετικές λειτουργίες, Idrobo λέει. Για παράδειγμα, οι ομάδες είναι γνωστό ότι είναι καταλυτικά ενεργό μπορούσε να καρφώθηκε στα graphene πόρους, έτσι ώστε οι ερευνητές να μελετήσουν άμεσα ατομικό και ηλεκτρονικών δομών τους, χρησιμοποιώντας το στέλεχος.
Η ομάδα εξετάζει επίσης πώς η αλληλεπίδραση μεταξύ των ομάδων και του γραφενίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη γραφενίου με βάση τις τεχνολογίες. "Από τότε που ομάδες πυριτίου είναι αμετακίνητες όταν ενσωματώνονται σε πόρους γραφενίου, έχουμε αποφασίσει να μετατρέψουμε αυτό το εύρημα και τώρα ερευνούμε ποια στοιχεία είναι σε θέση να σταθεροποιήσουν αυτούς τους πόρους", εξηγεί ο Idrobo. "Σταθεροί πόροι με συγκεκριμένες διαμέτρους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πολύ αποτελεσματικά μοριακά φίλτρα και επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για την αφαλάτωση του νερού."
Πηγή, physicswolrd.com
Απόδοση Δ. Γιάκας
Ατενίζοντας το μέλλον, μια απλή νέο πείραμα θα πρέπει να είναι πρότυπο, το γραφενίου με πόρους συγκεκριμένα μεγέθη και στη συνέχεια να ενσωματώσετε ομάδες με διαφορετικές λειτουργίες, Idrobo λέει. Για παράδειγμα, οι ομάδες είναι γνωστό ότι είναι καταλυτικά ενεργό μπορούσε να καρφώθηκε στα graphene πόρους, έτσι ώστε οι ερευνητές να μελετήσουν άμεσα ατομικό και ηλεκτρονικών δομών τους, χρησιμοποιώντας το στέλεχος.
Η ομάδα εξετάζει επίσης πώς η αλληλεπίδραση μεταξύ των ομάδων και του γραφενίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη γραφενίου με βάση τις τεχνολογίες. "Από τότε που ομάδες πυριτίου είναι αμετακίνητες όταν ενσωματώνονται σε πόρους γραφενίου, έχουμε αποφασίσει να μετατρέψουμε αυτό το εύρημα και τώρα ερευνούμε ποια στοιχεία είναι σε θέση να σταθεροποιήσουν αυτούς τους πόρους", εξηγεί ο Idrobo. "Σταθεροί πόροι με συγκεκριμένες διαμέτρους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πολύ αποτελεσματικά μοριακά φίλτρα και επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για την αφαλάτωση του νερού."
Πηγή, physicswolrd.com
Απόδοση Δ. Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου