Kürek olarak atomik kuvvet mikroskobu mu kullanacaksınız? Bilim adamı hangi altın madenini keşfetti?
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme: Fizik
Connecticut Üniversitesi'nden araştırmacılar, Proceedings of the National Academy of Sciences'da, tanıdık bir aracı asla kullanılması amaçlanmayan bir şekilde kullanmanın, malzemeleri keşfetmenin yepyeni bir yolunu açtığını bildirdi. Spesifik keşifleri bir gün enerji açısından daha verimli bilgisayar çipleri yaratabilir, ancak yeni teknolojinin kendisi daha geniş bir alan yelpazesinde yeni keşifler açabilir. Bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ultra keskin bir ucu malzemenin içinden sürükler, çok yakındır ancak yüzeye asla dokunmaz. Uç, yüzeyin konumunu hissedebilir ve malzeme tarafından üretilen elektromanyetik kuvveti algılayabilir. Araştırmacılar, onu düzenli bir şekilde ileri geri ileterek, bir malzemenin yüzey özelliklerini haritalandırabilir, tıpkı bir haritacı bir araziyi düzenli olarak haritalamak için bir araziyi adım adım ilerletebilir. Atomik kuvvet mikroskobu, bir malzemenin gözeneklerini, çıkıntılarını ve özelliklerini bir tuz tanesinden binlerce kat daha küçük bir ölçekte tasvir edebilir.
Brokar Biliminin Popülerleştirilmesi: Atomik Kuvvet Mikroskopları AFM'ler yüzeyleri incelemek için tasarlanmıştır.Çoğu durumda, kullanıcılar malzemeye bıçak ucuyla vurmaktan kaçınmaya çalışır, çünkü bu malzemenin yüzeyine zarar verebilir, ancak bazen olabilir. Birkaç yıl önce, yüksek lisans öğrencisi Yasemin Kutes ve doktora sonrası araştırmacı Justin Luria, malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Brian Huey'in laboratuvarında güneş pilleri üzerinde çalışıyorlardı ve kazara örneklerini çıkardılar. İlk başta bunun rahatsız edici bir hata olduğunu düşündüler, ancak Kurtes AFM'nin ucunu kazara kazdığı hendeğin derinliklerine daldırdığında, malzemenin doğasının farklı göründüğünü fark ettiler. Kurt ve Loria bunu takip etmediler, ancak başka bir yüksek lisans öğrencisi olan James Steffes fikri daha yakından incelemek için ilham aldı. Bir AFM'nin ucunu kasıtlı olarak bir keski gibi kullanırsa ve sonra bir malzemeyi kazarsa ne olacağını bilmek istedi?
Malzemenin elektriksel ve manyetik özelliklerini, tıpkı iki boyutlu bir uzayda yüzeyi betimlediği gibi, malzemenin üç boyutlu bir görüntüsünü çizdiği gibi katman katman tasvir edebilir mi? Malzemenin doğasında herhangi bir farklılık olacak mı? Steffes, Huey ve meslektaşları Proceedings of the National Academy of Sciences'da (PNAS) cevabın evet olduğunu bildirdi. Oda sıcaklığında bir poliferrit olan bizmut ferrit (BiFeO3) örneklerini derinlemesine incelediler. Multiferrit, aynı anda birden fazla elektriksel veya manyetik özelliğe sahip olabilen bir malzemedir. Örneğin, bizmut ferrit, hem anti-ferromanyetizmaya (manyetik alanlara tepki verir, ancak genellikle kuzey-güney manyetik kutupları göstermez) ve ferroelektrikliğe sahiptir, bu da anahtarlanabilir elektrik polarizasyonuna sahip olduğu anlamına gelir. Bu ferroelektrik malzeme genellikle alan adı verilen küçük parçalardan oluşur. Her alan bir pil grubu gibidir, pozitif kutupları aynı yönde hizalanır ve alanın her iki tarafındaki kümeler diğer yönü işaret eder.
- TAFM of BiFeO3 / SrRuO3 / DyScO3 ince film heterostructure, resim: Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). 10.1073 / pnas.1806074116
Bilgisayar belleği için çok değerlidirler çünkü bilgisayarlar alanları çevirebilir, materyaller üzerine "yazabilir" ve manyetik veya elektrik alanları kullanabilir. Malzeme bilimcileri bir bizmut ferrit parçası hakkında bilgi okuyup yazdıklarında, genellikle sadece yüzeyde neler olduğunu görürler. Ancak yüzeyin altında neler olduğunu bilmek istiyorlar - eğer bunu anlayabilirlerse, bu malzemeyi daha hızlı çalışan ve günümüzün bilgisayar çiplerinden daha az enerji tüketen daha verimli bir bilgisayar çipi olarak tasarlamak mümkün. Bunun tüm toplumun enerji tüketimi üzerinde çok büyük bir etkisi olacak - şu anda Amerika Birleşik Devletleri'ndeki elektrik tüketiminin% 5'i çalışan bilgisayarlarda kullanılıyor. Yanıtı bulmak için, Steffes, Huey ve ekip üyeleri, bizmut ferrit film tabakasını dikkatlice kazmak ve iç kısmı parça parça haritalamak için AFM tekniklerini kullandılar. Her bir alanın, yüzeyde her zaman açık olmayan desenleri ve nitelikleri ortaya çıkararak tamamen haritalanabileceği bulundu. Bazen bir alan, kaybolana veya bir y şekline bölünene veya başka bir alanla birleşene kadar küçülür. Bu malzemenin içini daha önce hiç kimse bu şekilde görmemişti.
Bu çok aydınlatıcı, tıpkı sadece 2D X-ışınlarını görebildiğiniz zamanlar gibi, sadece kemiklerin 3D CT taramalarını görebiliyordunuz. Dünya çapında yaklaşık 30.000 AFM kuruldu. Bunların büyük bir kısmı, yüzeyi keşfettiklerini fark ettikleri için 2019'da 3D haritalama için AFM'yi kullanmaya çalışacaklar. Ayrıca, malzemelerine 3-D haritalama teknolojisi uygulanabilirse, daha fazla laboratuarın AFM satın alacağına ve bazı mikroskop üreticilerinin, 3-D tarama için özel olarak AFM tasarlamaya başlayacağına inanıyor. Intel, Murata ve diğer yerlerdeki araştırmacılar, yeni nesil bilgisayar çipleri yapmak için yeni malzemeler ararken buldukları bizmut ferrit ile de ilgileniyorlar. Aynı zamanda Huey ekibi, betondan kemiğe ve birçok bilgisayar bileşenine kadar çeşitli malzemeleri kazmak için atomik kuvvet mikroskopları kullanıyor. Akademik ve kurumsal ortaklarla işbirliği yaparak, enerji tüketimini azaltmak, performanslarını optimize etmek ve güvenilirliğini ve uzun ömürlülüğünü iyileştirmek için bu malzemeleri nasıl daha iyi tasarlayabileceğimizi anlamak için yeni içgörülerimizi kullanabiliriz - bunlar malzeme bilimcileridir Her gün yapılacak şeyler.
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme Araştırma / Gönderen: Connecticut Üniversitesi
Referans dergi literatürü: Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri
DOI: 10.1073 / pnas.1806074116
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
