Verrassende ontdekking toont aan dat elektronenstraalstraling nanostructuren kan repareren

In een verrassende nieuwe studie hebben onderzoekers van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota ontdekt dat de elektronenbundelstraling waarvan ze eerder dachten dat afgebroken kristallen daadwerkelijk scheuren in deze nanostructuren kunnen repareren.

De baanbrekende ontdekking biedt een nieuw pad om perfectere kristalnanostructuren te creëren, een proces dat van cruciaal belang is voor het verbeteren van de efficiëntie en kosteneffectiviteit van materialen die worden gebruikt in vrijwel alle elektronische apparaten die we dagelijks gebruiken.

“Lange tijd dachten onderzoekers die nanostructuren bestudeerden dat als we de kristallen onder elektronenstraling zouden plaatsen om ze te bestuderen, ze zouden afbreken,” zei Andre Mkhoyan, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota en hoofdonderzoeker in het onderzoek. “Wat we in dit onderzoek hebben laten zien, is dat wanneer we een kristal van titaniumdioxide namen en het bestraalden met een elektronenbundel, de natuurlijk voorkomende smalle scheurtjes zich feitelijk opvulden en zichzelf geheelden.”

De onderzoekers stuitten per ongeluk op de ontdekking toen ze de ultramoderne elektronenmicroscoop van de Universiteit van Minnesota gebruikten om de kristallen om een ​​heel andere reden te bestuderen.

“Ik bestudeerde de scheuren in de kristallen onder de elektronenmicroscoop en deze scheuren werden steeds groter.” zei Silu Guo, een Ph.D. van de chemische technologie en materiaalkunde van de Universiteit van Minnesota. student. “Dit was onverwacht en ons team besefte dat er misschien iets nog groters was dat we moesten bestuderen.”

Tijdens het zelfherstelproces bewogen verschillende atomen van het kristal zich samen en ontmoetten elkaar in het midden en vormden een soort brug die de scheur opvulde. Voor het eerst toonden de onderzoekers aan dat de elektronenbundels constructief konden worden gebruikt om nieuwe nanostructuren atoom voor atoom te ontwikkelen.

“Of het nu gaat om atomair scherpe scheuren of andere soorten defecten in een kristal, ik geloof dat het inherent is aan de materialen die we hebben gekweekt, maar het is echt verbazingwekkend om te zien hoe de groep van professor Mkhoyan deze scheuren kan herstellen met behulp van een elektronenstraal.” zei professor Bharat Jalan, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde van de Universiteit van Minnesota, die aan het onderzoek werkte.

De onderzoekers zeggen dat de volgende stap het introduceren van nieuwe factoren is, zoals het veranderen van de omstandigheden van de elektronenbundel of het veranderen van de temperatuur van kristal, om een ​​manier te vinden om het proces te verbeteren of te versnellen.

“Eerst ontdekten we, nu willen we meer manieren vinden om het proces te engineeren,” zei Mkhoyan.

Naast Mkhoyan, Guo en Jalan bestond het onderzoeksteam uit Ph.D. student Sreejith Nair, en voormalig afgestudeerde student Hwanhui Yun.

Het onderzoek, “Scheuren atoom voor atoom herstellen in rutiel TiO₂ met elektronenbundelradiolyse,” is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.