Naukowcy z laboratorium armii amerykańskiej tworzą rekonstrukcje trójwymiarowych próbek na poziomie atomowym

Dr. Chad Hornbuckle, pracownik naukowy z Dyrekcją Badań Broni i Materiałów ARL, specjalizuje się w charakteryzacji mikrostruktury za pomocą mikroskopów elektronowych i tomografii sondy atomowej (APT) i pracuje nad badaniami na poziomie atomowym. Powiedział, że unikalna sonda atomowa wykorzystywana w tym badaniu nie tylko wyznacza standardy dokładności w chemii, ale jest również konieczna do zrozumienia wewnętrznej struktury samych materiałów.

"Sonda atomowa daje nam 3 -D rekonstrukcja na poziomie atomowym. Kiedy widzisz rekonstrukcję złożoną z milionów kropek, kropki są w rzeczywistości pojedynczymi atomami "- wyjaśnia dr Hornbuckle.

" To w zasadzie jedyna maszyna na świecie, która może to zrobić na poziomie atomowym . Są maszyny, takie jak transmisyjne mikroskopy elektronowe lub TEM, które przeprowadzają analizę chemiczną, ale nie są tak dokładne. "

Ponieważ eksperymenty wymagają spójności, niezwykle ważne jest utrzymanie wysokiego poziomu dokładności podczas takie badania.

Dr. Hornbuckle powiedział: "Możesz mieć jeden efekt jeden raz, ale jeśli chemia się zmieni, następnym razem otrzymasz zupełnie inny efekt. Jeśli nie możesz kontrolować chemii, nie możesz kontrolować właściwości. "

Jeśli uważasz, że praca w nanoskali była mała, rozważ to: próbki o poziomie atomowym analizowane w tym badaniu są około 1000 razy mniejszy niż koniec pasma ludzkich włosów. Naukowcy muszą stworzyć bardzo ostre końcówki, aby przygotować próbki do analizy, które są używane do mielenia lub piaskowania materiałów za pomocą galu i albo mikroskopu z wiązką jonów skupionych, albo elektronowego mikroskopu skaningowego z dwoma wiązkami. Następnie wprowadza się je do sondy atomowej.

Wnętrze sondy to super zimna próżnia. Próbki atomów są zjonizowane za pomocą lasera lub impulsu napięcia w końcówce sondy, co powoduje, że pole wyparowuje z powierzchni. Następnie odparowane jony są analizowane i identyfikowane, co skutkuje modelem 3D o prawie atomowej rozdzielczości przestrzennej.

Dr. Sam Hornbuckle opracował sondę podczas studiów na University of Alabama. Naukowcy armii i inni badacze pytają go teraz o jego pomoc w charakteryzowaniu próbek i używają technologii APT do określenia, które atomy znajdują się w materiale.

Dr. Denise Yin, doktor habilitowany z ARL, powiedziała: "Mogę podać ci jeden konkretny przykład, w jaki sposób pomógł namBadania. Mieliśmy elektrodę miedzianą w polu magnetycznym i znaleźliśmy fazę chemiczną za pomocą sondy atomowej, która w przeciwnym razie nie pojawiła się w konwencjonalnej elektropozycji.

"Elektrodepozycja jest procesem, który tworzy cienką powłokę metalową.

Mieliśmy problemy z identyfikacją tej fazy przy użyciu innych metod, ale sonda atomowa dokładnie nam powiedziała, co to jest i jak została rozprowadzona. "

Dr. Yin powiedział, że sonda atomowa ma "imponujące" możliwości:

"Możesz zobaczyć, jak atomy pojawiają się w czasie rzeczywistym. Ponownie, jest to w skali nanometrowej, więc jest o wiele lepsza niż wszystkie inne techniki charakteryzacji. Sonda atomowa dość łatwo nam oznajmiła, że ​​nieznana faza to dwa różne typy fazy wodorkowo-miedziowej, a to nie jest coś, co moglibyśmy wykryć przy użyciu tych innych metod. " CD3D .

Dyrektor ARL, dr Philip Perconti wyjaśnił:" Kampus otwarty oznacza udostępnienie światowej klasy urządzeń ARL i możliwości badawczych dla naszych partnerów. Rozkwit programu Open Campus zwiększa możliwości rozwoju technologii i transferu wiedzy badawczej. "

Dr. Hornbuckle powiedział, że partnerstwo z Lehigh University przyniosło pewne "ważne wyniki."

"Jedna uniwersytet, z którym współpracujemy to Lehigh University. Początkowo współpraca ta polegała na wzajemnej wymianie wiedzy specjalistycznej, podczas której analizowałem niektóre z ich próbek w sondzie atomowej i używano ich elektronowego mikroskopu transmisyjnego z korekcją aberracji do analizy niektórych próbek miedzi z tantalem "- powiedział dr Hornbuckle . "Mamy teraz z nimi spółdzielcze porozumienie, aby kontynuować tę współpracę.

" Właściwie wykonałem stop niklowo-wolframowy, który był dla nich osadzany elektrolitycznie oraz zidentyfikował i policzył obecność elementów o niskiej liczbie atomowej, takich jak tlen i sód. W wyniku tego powstał jeden artykuł z czasopism naukowych, w którym przygotowywanych jest jeszcze kilka ".

ARL współpracuje również z Uniwersytetem Texas A & M przy analizie na poziomie atomowym.

" Ta współpraca zainicjowana z powodu Otwarta inicjatywa Campus. Przeanalizowałem kilka stopów niklowo-tytanowych, które zostały wydrukowane trójwymiarowo. Zauważyli kilka nanoskalowych osadów w drukowanych materiałach trójwymiarowych, ale nie byli w stanie zidentyfikować ich za pomocą TEM - powiedział dr Hornbuckle. "Próbuję określić chemię fazy za pomocą sondy atomowej, co powinno pomóc w jej identyfikacji."

Uniwersytet w Alabamie jestinny z partnerów ARL, a ta współpraca doprowadziła do kilku opublikowanych artykułów z czasopism naukowych.

"Mają inną wersję sondy atomowej. Przeprowadzili oni kilka naszych stopów w swojej wersji i nasze, aby porównać różnice odnotowane w tym samym materiale. Materiał ten jest w rzeczywistości skalowany za pomocą szeregu procesów, które są istotne dla Ramię - wyjaśnił dr Hornbuckle.

Oprócz tworzenia ważnych i znaczących połączeń, te różne partnerstwa zapewniają także dostęp do armii do sprzętu nie znalezionego w ARL. Następnie wiedza, którą badacze armii uczą się dzięki tym wspólnym badaniom, może zostać zastosowana do bieżących problemów, przed którymi stoi Armia, a także do opracowania przyszłych odpowiednich materiałów.

Dr. Hornbuckle powiedział: "Kiedy widzisz rzeczy, których żaden człowiek nigdy wcześniej nie widział, to bardzo fajnie jest myśleć, że pomagam przesuwać kopertę nowej nowoczesnej nauki o materiałach, która jest oczywiście używana w armii. Za każdym razem, gdy uruchamiamy nowy materiał, zastanawiamy się, w jaki sposób możemy pomóc Żołnierzowi w tym nowym odkryciu. "