العلم > صور للتركيب الذري الدقيق للمواد

صور للتركيب الذري الدقيق للمواد

نجح علماء من شركة IBM في الحصول على صورة «تشريحية» -أو بنية كيميائية دقيقة- لوجه مشرح، صورة ذات دقة غير مسبوقة، من خلال استخدام طريقة معقدة تعرف باسم «مجهر القوة الذرية غير المتصل».

عرض للتكنولوجيا التي أدت إلى تصوير الجزيء. الرسم التوضيحي: آي بي إم

ومن الممكن أن تؤدي النتائج إلى تسريع الأبحاث في مجال استخدام الجسيمات والذرات على أصغر نطاق، ويكون لها تأثير كبير في مجال تكنولوجيا النانو، بحثًا عن الفهم والتحكم في أصغر المكونات التي عرفها الإنسان.

"على الرغم من أن المقارنة ليست هي نفسها، إذا تخيلت كيف يستخدم الطبيب الأشعة السينية لتصوير العظام والأعضاء داخل جسم الإنسان، فإننا نستخدم مجهر القوة الذرية لتصوير الهياكل الذرية التي هي الهيكل العظمي للحيوانات الفردية"، يوضح ذلك. الباحث جيرهارد ماير.

"توفر طرق رسم الخرائط والمسح الضوئي بمساعدة أجهزة الكشف إمكانات كبيرة لإعداد نماذج أولية للهياكل الوظيفية المعقدة ولتصميم وفحص خواصها الإلكترونية والكيميائية على المستوى الذري."

المقال الحالي لفريق البحث يتبع تجربة أخرى نُشرت قبل شهرين فقط في مجلة Science المرموقة، حيث قام علماء IBM بقياس حالات شحن الذرات باستخدام مجهر AFM. ستؤدي هذه الاكتشافات إلى ظهور إمكانيات جديدة لدراسة الطرق التي تمر بها الشحنات الكهربائية عبر العوازل أو شبكاتها. إن معرفة توزيع الشحنة على المستوى الذري أمر ضروري لإعداد مكونات حاسوبية صغيرة، أسرع وأكثر كفاءة من تلك الموجودة اليوم في المعالجات وأجهزة الذاكرة المختلفة.

الجزيء نفسه كما تم تصويره بواسطة مجهر AFM. الصورة: آي بي إم

في الدراسة الجديدة، التي نشرت في المجلة العلمية Science في 28 أغسطس من هذا العام، استخدم باحثو IBM مجهر AFM الذي يعمل في فراغ عالٍ للغاية (ضغوط منخفضة جدًا) وفي درجات حرارة منخفضة جدًا (ناقص مائتين وثمانية وستين درجة مئوية). ) لتصوير التركيب الكيميائي لمركبات البنتاسين (البنتاسين، القيمة في ويكيبيديا) الفردية. وتمكن العلماء، لأول مرة على الإطلاق، من "النظر" في "السحابة الإلكترونية" ورؤية الهيكل الذري لجسيم واحد. وعلى الرغم من الاختلافات الموجودة، فإن الطريقة تشبه الأشعة السينية التي تمر عبر الأنسجة الرخوة وتتيح صورة واضحة للعظام.

يستخدم مجهر AFM طرفًا معدنيًا حادًا جدًا لقياس القوى الصغيرة بينه وبين عينة المادة للحصول على صورة ذرية. المركب الذي تم اختباره في التجارب الحالية هو البنتاسين، وهو مركب عضوي ممدود يتكون من اثنتين وعشرين ذرة كربون وأربعة عشر ذرة هيدروجين يبلغ عرضه 1.4 نانومتر. المسافة بين ذرات الكربون المجاورة هي 0.14 نانومتر فقط. في الصورة الناتجة، يمكنك أن ترى بوضوح النمط السداسي لحلقات الكربون الداخلية التي تشكل الجزء. ومن الصورة يمكنك استنتاج الموقع الدقيق لذرات الهيدروجين المختلفة.

يوضح أحد الباحثين: "إن مفتاح تحقيق مثل هذه القدرة على الفصل الذري كان عبارة عن طرف حاد ومحدد ذريًا بالإضافة إلى الاستقرار الكبير للنظام المختار". من أجل الحصول على صورة للتركيب الكيميائي للخبث بمساعدة مجهر AFM، فمن الضروري العمل في أقرب وقت ممكن من الخبث نفسه. إن المدى الذي تؤدي فيه التفاعلات الكيميائية إلى تأثيرات كبيرة على القوى الكهربائية هو أقل من نانومتر واحد. ومن أجل تحقيق هذا الهدف، طُلب من الباحثين زيادة حساسية طرف المجهر والتغلب على قيد كبير: على غرار الحالة التي يتنافر فيها مغناطيسين أو يتجاذبان عندما يقتربان من بعضهما البعض، يمكن بسهولة تنافر الجزيئات أو جذبها إلى الحافة عندما يقترب منها كثيرًا - مع منع أي قياس إضافي.

ويضيف الباحث: "لقد تمكنا من تحضير طرف فريد من نوعه قادر على "التفاعل" مع الذرات أو الجسيمات المفردة وبالتالي الحصول على قدرة فصل عالية جداً". أنتج الطرف المطلي بأول أكسيد الكربون (CO) أفضل دقة عندما كان على بعد نصف نانومتر فقط من العينة التي يتم فحصها - وتم استخدامه كعدسة مكبرة قوية - فقد أظهر الذرات الفردية في عينة البنتاسين بينما يكشف عن بنيتها الذرية الدقيقة .

بالإضافة إلى ذلك، تمكن العلماء من إنتاج خريطة قوة ثلاثية الأبعاد كاملة للعينة التي تم اختبارها. "من أجل تحقيق ذلك، يجب أن يكون المجهر مستقرًا للغاية، ميكانيكيًا وحراريًا، لضمان بقاء كل من الرأس والأجزاء دون تغيير أثناء جمع المعلومات الذي يستمر حوالي عشرين ساعة"، يشير أحد الباحثين. أنتجت المزيد من الأبحاث النظرية أيضًا تفسيرات أكثر تعمقًا لفعالية المجهر في هذه الحالة بالذات.

لقد طمح العلماء، منذ فجر العلم، إلى "رؤية" و"تحريك" الذرات والجزيئات الفردية من أجل توسيع المعرفة الإنسانية والارتقاء بحدود البحث وتحضير المكونات النانوية. لقد كانت شركة IBM رائدة في علم النانو وتكنولوجيا النانو منذ تطوير المجهر النفقي الماسح (STM) في عام 1981 في مختبراتها في زيوريخ. ولهذا الاختراع، الذي جعل من الممكن لأول مرة تصوير الذرات الفردية، حصل المطوران على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1986. تم اختراع مجهر AFM، وهو استمرار مباشر للمجهر STM، من قبل نفس العلماء في عام 1986. XNUMX.