Từng nguyên tử nhẹ đã chịu “hiện hình” dưới kính hiển vi

Hiệp Khách Quậy Sử dụng kính hiển vi điện tử đã hiệu chỉnh quang sai mới nhất, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Mĩ và các đồng nghiệp của họ đã thu được những hình ảnh đầu tiên phân biệt rạch ròi từng nguyên tử nhẹ như boron, carbon, nitrogen và oxygen. Xin mời đọc tiếp.

Sử dụng kính hiển vi điện tử đã hiệu chỉnh quang sai mới nhất, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Mĩ và các đồng nghiệp của họ đã thu được những hình ảnh đầu tiên phân biệt rạch ròi từng nguyên tử nhẹ như boron, carbon, nitrogen và oxygen.

alt
Từng nguyên tử boron và nitrogen được phân biệt rõ ràng bởi cường độ của chúng trong hình ảnh hiển vi điện tử truyền quét Z-tương phản này thu được ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Mĩ. Mỗi vòng lục giác đơn của cấu trúc boron-nitrogen, chẳng hạn cái vòng được đánh dấu bằng vòng tròn màu xanh trên hình a, gồm hai nguyên tử nitrogen sáng hơn và ba nguyên tử boron tối hơn. Hình bên dưới (b) đã được hiệu chỉnh sự méo ảnh. (Ảnh: Bộ Năng lượng Mĩ, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge)

Những hình ảnh ORNL thu được với một chiếc kính hiển vi điện từ truyền quét Z-tương phản (STEM). Từng nguyên tử carbon, boron, nitrogen và oxygen – tất cả đều có số nguyên tử thấp – đã được phân giải trên một mẫu boron nitride đơn lớp

“Nghiên cứu này đánh dấu thời khắc đầu tiên mà mỗi nguyên tử trong một phần đáng kể của một chất liệu không có sự sắp xếp tuần hoàn đã được ghi ảnh và nhận dạng về mặt hóa học”, phát biểu của nhà nghiên cứu Stephen Pennycook ở Phân viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu. “Nó tiêu biểu cho một thành tựu nữa của những công nghệ kết hợp STEM Z-tương phản và sự hiệu chỉnh quang sai”.

Pennycook và người đồng nghiệp ORNL Matthew Chisholm đã kết nạp thêm một đội bao gồm Sokrates Pantelides, Mark Oxley và Timothy Pennycook ở trường đại học Vanderbilt và ORNL; Valeria Nicolosi tại trường đại học Oxford ở Anh; và Ondrej Krivanek, George Corbin, Niklas Dellby, Matt Murfitt, Chris Own và Zotlan Szilagyi ở Công ti Nion, công ti chuyên thiết kế và chế tạo kính hiển vi. Bài phân tích STEM Z-tương phản của đội đăng trên số ra ngày 25 tháng 3 của tạp chí Nature.

Kĩ thuật ghi ảnh phân giải cao mới cho phép các nhà nghiên cứu vật liệu phân tích, từng nguyên tử một, cấu trúc phân tử của các vật liệu thí nghiệm và nhìn thấy rõ những khiếm khuyết cấu trúc trong những vật liệu đó. Những khiếm khuyết đưa vào trong một vật liệu – thí dụ, sắp đặt một nguyên tử hay phân tử tạp chất trong cấu trúc của vật liệu – thường là nguyên nhân cho những tính chất của vật liệu.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích một mẫu boron nitride đơn lớp hình lục giác chuẩn bị tại trường đại học Oxford và đã có thể tìm thấy và nhận ra ba loại thay thế nguyên tử - các nguyên tử carbon thế chỗ cho boron, carbon thế chỗ cho nitrogen và oxygen thế chỗ cho nitrogen. Boron, carbon, nitrogen và oxygen có số nguyên tử - hay số điện tích Z – tương ứng là 5, 6, 7, và 8.

Các thí nghiệm phân tích trường tối hình khuyên được tiến hành trên kính hiển vi Nion UltraSTEM 100 kilovolt đã tối ưu hóa cho hoạt động điện áp thấp tại 60 kilovolt.

Sự hiệu chỉnh quang sai, trong đó sự méo ảnh và sai sót nhân bản gây ra bởi những sự không hoàn hảo của thấu kính và những tác dụng của môi trường được lọc lựa bằng máy tính và hiệu chỉnh, đã được người ta nghĩ tới cách nay hàng thập kỉ rồi, nhưng chỉ mới gần đây người ta mới có thể thực hiện nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực điện toán. Được hỗ trợ bởi công nghệ đó, nhóm Kính hiển vi điện tử ORNL đã lập một kỉ lục độ phân giải hồi năm 2004 với STEM 300 kilovolt của phòng thí nghiệm trên.

Sự tiến bộ mới đây đạt được ở một điện áp thấp hơn nhiều, vì một nguyên do.

“Việc cho hoạt động ở 60 kilovolt cho phép chúng tôi tránh được sự dịch chuyển nguyên tử gây hỏng mẫu nghiên cứu, trở ngại luôn đi cùng với những nguyên tử có giá trị Z thấp ở trên điện áp 80 kilovolt”, Pennycook nói. “Bạn không thể thực hiện thí nghiệm này với một STEM 300 kilovolt được”.

Có trong tay những hình ảnh phân giải cao, các nhà nghiên cứu vật liệu, hóa học và khoa học nano và các lí thuyết có thể thiết kế ra những mô phỏng điện toán chính xác hơn để dự đoán hành trạng của những vật liệu tiên tiến, chúng là chìa khóa quan trọng để vượt qua những thử thách nghiên cứu bao gồm sự dự trữ năng lượng và những công nghệ hiệu quả năng lượng hơn.

Theo PhysOrg.com


Mời đọc thêm