Ultradunne membranen voor het blootleggen van het probleem op atomaire schaal in operando-omstandigheden

Wanneer iemand het woord ‘vergroten’ bedenkt, verwijst dit naar het dichterbij brengen van verre objecten of het groter maken van kleine objecten op tastbare schaal. Er bestaat geen twijfel over dat de kracht van vergrotende instrumenten, ongeacht de schaal en richting, kan leiden tot vooruitgang in het wetenschappelijke veld. Sinds de lancering in 2021 is James Webb Space Telescope (JWST) begonnen aan een missie om ongekende gegevens uit het diepe universum te verzamelen, met als doel ons begrip van het vroege universum en de levenscyclus van hemellichamen uit te breiden.

De toepasselijke analogie voor de JWST in de atomaire wereld is de Aberration-Corrected Electron Microscope (ACEM). Door gebruik te maken van een zeer coherent elektron samen met een aberratiecorrector, blinkt de microscoop uit in het oplossen van subatomaire kenmerken, waardoor een uitgebreide verkenning van de structuur-functionele relatie in materialen mogelijk wordt. Als basis voor navigators van nanowerelden kan de moderne ACEM informatie van onschatbare waarde verschaffen die onvervangbaar blijft door andere karakteriseringsmethoden.

De tegenstrijdigheid komt voort uit de dubbele aard van de hoogenergetische elektronen. De golfeigenschap van het elektron maakt beeldvorming met hoge resolutie mogelijk, terwijl hun deeltjeseigenschap botsingen onvermijdelijk maakt. Terwijl het deeltje door het gas onder omgevingsdruk reist, is hun gemiddelde vrije pad – de afstand die ze kunnen afleggen voordat ze hun oorspronkelijke richting of energie substantieel veranderen – slechts beperkt tot ongeveer 100 nm.

Ballistische botsingen veranderen de richting van het elektron of putten zijn energie uit, waardoor de prestaties van de elektronenoptiek aanzienlijk worden belemmerd. Om deze botsingen te omzeilen, wordt de microscoopkolom doorgaans onder ultrahoogvacuümomstandigheden gehouden, die minimaal 10 zijn¹⁰ maal dunner dan de omgevingslucht.

De aard van de ACEM beperkt de toepasbaarheid ervan op statische, dunne en vaste monsters. Materialen omvatten echter verschillende toestanden van materie die verder gaan dan vaste stoffen, waaronder vloeistoffen, gassen en plasma’s. Om reacties op nanoschaal waar te nemen, is het essentieel om de betrokken vloeibare media in te kapselen in een afgesloten nanoreactor, waardoor verspreiding ervan wordt voorkomen. Het gebruik van de micro-elektromechanische systemen (MEMS)-techniek van siliciumnitride komt tegemoet aan deze speciale behoeften, waardoor onderzoekers reacties op nanoschaal kunnen onderzoeken.

De siliciumnitridefilm, die als inkapselingsmembraan dient, kan gemakkelijk worden geproduceerd met een dikte in het bereik van enkele tientallen nanometers met behulp van een chemisch dampdepositieproces. Deze films vertonen een redelijke veerkracht tegen mechanische schokken, vooral wanneer ze meer dan een bepaalde dikte hebben, hoewel er een wisselwerking bestaat met de transparantie van elektronen.

Analoog aan een aquarium met een glazen wand van enkele meters dik, die robuust genoeg kan zijn om grote hoeveelheden water te bevatten, wordt het maximaliseren van de zichtbaarheid door het glas een uitdaging. Daarom is het ontwerpen van de “muur” cruciaal voor het garanderen van optimaal zicht in zowel aquaria als de vloeistofcontainer voor ACEM.

Om deze uitdaging aan te gaan, halen we inspiratie uit de bijenkorf, een structuur die hoge mechanische spanningen kan weerstaan ​​en toch minimaal materiaal gebruikt. Onze oplossing omvat het creëren van een ruimtevullend zeshoekig ondersteuningssysteem met behulp van zwaar gedoteerd silicium onder het ultradunne siliciumnitride, waarbij dit wordt bereikt met slechts 1/5 van de dikte van de conventionele methode.

De bijenkorfachtige structuur maximaliseert de opening voor het observeren van de reacties en zorgt voor optimale sterkte onder mechanische belasting. Door deze ultradunne doorbraak kan het membraan worden verdund tot een nanometerschaal van één cijfer – ongeveer 1/10.000ste van de dikte van een mensenhaar, zonder dat er breuken of lekkages in de microscoop optreden.

De transparantie van het ultradunne membraan maakt het in kaart brengen van vloeistoffen mogelijk met een ruimtelijke resolutie van minder dan nanometer en een aanzienlijke onderdrukking van de nadelige elektronenverstrooiing, een mogelijkheid die niet haalbaar is met conventionele omhullende materialen. Deze doorbraak maakt gevoeligheid in de gasfase mogelijk in die mate dat een handvol gasmoleculen in de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) kan worden gedetecteerd. Dit gevoeligheidsniveau maakt het mogelijk reacties vast te leggen die plaatsvinden op het grensvlak tussen gas en vaste stof met een tijdresolutie op microsecondenschaal.

Als illustratief voorbeeld visualiseren we het inbrengen van waterstofatomen in palladiummetaal onder omgevingstemperatuur en druk. Deze technologie biedt een enorm potentieel voor het ontwikkelen en onderzoeken van nanokatalysatoren voor het afvangen van koolstof in de gasfase, maar ook voor energiematerialen zoals brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, waardoor inzichten op atomaire schaal worden verkregen. Ons werk is gepubliceerd in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang.

Hoewel we op een andere schaal en reikwijdte opereren, trekken we een parallel tussen deze ontwikkeling en de baanbrekende mogelijkheden van de James Webb Space Telescope (JWST), die ongekende beelden en gegevens levert die kosmologische theorieën uitdagen. Bovendien stellen we voor dat deze innovatieve strategie voor het ontwerpen van microchips met ultradunne membranen kan worden uitgebreid naar verschillende toepassingen waarbij de dunne membranen dienen als inkapseling en/of ondersteunende materialen, met implicaties die verder reiken dan het veld van de nanowetenschappen.

Dit verhaal maakt deel uit van Wetenschap X-dialoogwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.