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

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


Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 96)
04/09/2020
Khám phá Hải Vương tinh 1846 John Couch Adams (1819–1892), Urbain Jean Joseph Le Verrier (1811–1877), Johann Gottfried Galle (1812–1910) “Bài
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 95)
04/09/2020
Các định luật Kirchhoff về mạch điện 1845 Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) Khi vợ của Gustav Kirchhoff, Clara, qua đời, nhà vật

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com