Beeldvormende techniek geeft link naar innovatieve producten

Als we nadenken over de verbanden met de toekomst – de wereldwijde transitie naar zonne- en windenergie, tactiele virtual reality of synthetische neuronen – is er geen tekort aan grote ideeën. Het zijn de materialen om de grote ideeën uit te voeren – het vermogen om lithium-ionbatterijen, opto-elektronica en waterstofbrandstofcellen te produceren – die tussen concept en realiteit staan.

Voer tweedimensionale materialen in, de laatste stap in innovatie. Tweedimensionale materialen zoals grafeen en fosforen, bestaande uit een enkele laag atomen, vertonen nieuwe eigenschappen met verreikende mogelijkheden. Deze materialen kunnen worden gecombineerd als legoblokjes en bieden verbindingen met toekomstige producten, waaronder nieuwe middelen om zowel stroom als mensen over te brengen, met efficiëntere energietransmissie, en door zonne- en windenergie aangedreven voertuigen op wegen en in de lucht.

Een studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Georgia kondigt het succesvolle gebruik aan van een nieuwe nanoimaging-techniek waarmee onderzoekers deze materialen voor het eerst op een uitgebreide manier op nanoschaal kunnen testen en identificeren. Nu is er een manier om op echt kleine schaal te experimenteren met nieuwe materialen voor onze grote ideeën.

“Fundamentele wetenschap – kleinschalige elektrische geleidbaarheid, lichtemissie, structurele veranderingen – gebeuren op nanoschaal”, aldus Yohannes Abate, Susan Dasher en Charles Dasher MD Professor of Physics aan het Franklin College of Arts and Sciences en hoofdauteur van het nieuwe artikel . “Met deze nieuwe tool kunnen we dit alles gecombineerd visualiseren met een ongekende specificiteit en resolutie.”

“Omdat we atomen niet kunnen zien met traditionele methoden, moesten we nieuwe tools bedenken om ze te visualiseren”, zei hij. De hyperspectrale beeldvormingstechniek stelt wetenschappers in staat om elektrische eigenschappen, optische eigenschappen en de mechanische eigenschappen op de fundamentele lengteschaal tegelijkertijd te inspecteren.

Het hyperspectrale beeldvormingsonderzoek wordt ondersteund door subsidies van de Amerikaanse luchtmacht en de National Science Foundation. De onderzoekers creëerden een plaat van één atoom dik van twee soorten halfgeleiders die aan elkaar waren genaaid, vergelijkbaar met het samenstellen van een atomaire Lego, met eigenschappen die niet voorkomen in traditionele dikke materialen. Met kristallen van één atoom dik wordt elk atoom letterlijk blootgesteld aan het oppervlak, waarbij atomaire eigenschappen worden gecombineerd die resulteren in nieuwe eigenschappen.

“De kern van de materiaalwetenschap is de noodzaak om de fundamentele eigenschappen van nieuwe materialen te begrijpen, anders is het onmogelijk om te profiteren van hun unieke eigenschappen”, zei Abate. “Deze techniek brengt ons een stap dichter bij het kunnen gebruiken van deze materialen voor een aantal mogelijke toepassingen.”

Deze omvatten verschillende vormen van elektronica- of lichtgevende systeemtoepassingen. Hoe het effect van zeer kleine veranderingen in atomaire samenstelling, geleidbaarheid en lichtrespons van materialen met een enkele atoomdikte tegelijkertijd te verifiëren, was tot nu toe de uitdaging, zei Abate.

Nobelprijswinnaar Richard Feynman, die al in de jaren zestig nanotechnologie voor ogen had, voorspelde dat als wetenschappers bepaalde soorten atomen zouden kunnen kiezen en vervangen, ze praktisch elk denkbaar materiaal zouden kunnen fabriceren.

“Meer dan een halve eeuw later zijn we er nog niet, maar waar we zijn, kunnen we ze visualiseren, en op die schaal zijn er nieuwe problemen die kunnen ontstaan ​​en we moeten die eigendommen begrijpen als onderdeel van het begrijpen van de grote schaal materiaaleigenschappen, voordat we ze kunnen gebruiken, “zei Abate.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.