(Phys.org) — Un microscope à force atomique à haute puissance qui pourrait révolutionner l'étude des matériaux à des températures et des pressions élevées est en train de se concentrer dans un laboratoire de l'Université d'État de Wright.

Steven Higgins et son équipe construisent une nouvelle version du microscope hydrothermal à force atomique, un instrument qui pourrait percer des mystères scientifiques et être utilisé dans l'étude de la production pétrolière, hydrofracturation de couches rocheuses, le stockage des déchets radioactifs et le captage et le stockage du dioxyde de carbone atmosphérique.

"J'ai pris un poste de post-doctorat à l'Université du Wyoming qui a été construit autour de la construction de l'un des tout premiers microscopes hydrothermaux à force atomique, " dit Higgins, Doctorat., professeur de chimie et directeur associé du doctorat en sciences de l'environnement de l'État de Wright. programme. "Depuis, J'ai été intéressé par la construction du prochain meilleur microscope."

Contrairement à un microscope optique conventionnel, le microscope hydrothermal à force atomique se compose d'une sonde pointue montée à l'extrémité d'un cantilever. Le porte-à-faux devient un capteur lorsque la sonde entre en contact avec le matériau étudié, créer un signal électrique qui crée une image sur un moniteur. La "force atomique" du microscope provient de l'interaction des atomes de la sonde et de la surface.

Higgins a aidé à construire un tel microscope à la fin des années 1990. Il était capable d'imager des surfaces à des températures de 150 degrés centigrades et des pressions de 10 atmosphères. La nouvelle version le porterait à 250 degrés centigrades et 80 atmosphères.

"Si nous sommes capables d'atteindre 250 degrés, c'est vraiment phénoménal, " a déclaré Higgins. "Cela place ce microscope bien au-dessus de la technologie existante. Il peut y avoir un intérêt plus large de la communauté de recherche pour un microscope qui peut fonctionner dans ces conditions. »

Les microscopes électroniques à balayage conventionnels doivent normalement fonctionner dans le vide, généralement dans le monde irréel d'un laboratoire. Le microscope hydrothermal peut examiner les minéraux et autres surfaces solides lorsqu'ils réagissent avec les fluides dans leur environnement natif, donnant une vue plus précise.

Cela donne au microscope des applications dans la science de la corrosion et la formation de tartre minérale, ce qui est important pour l'industrie pétrolière.

"Tout comme une artère aurait tendance à se boucher avec le temps, les tubages de puits ont tendance à se boucher avec du tartre minéral, " Higgins a dit. " Cela réduit la productivité, augmente les coûts et aboutit finalement à l'incapacité d'extraire du pétrole. »

Le microscope est construit grâce à un partenariat avec Oak Ridge National Laboratory, qui a une équipe de géoscientifiques qui se concentrent sur les hautes températures, réactions à haute pression aux interfaces des fluides minéraux.

"Ils sont intéressés à amener leur suite d'instruments à un nouveau niveau, " a déclaré Higgins. " Ils sont financés pour examiner les problèmes qui pourraient être liés à l'hydrofracturation, stockage de déchets radioactifs, séquestration du dioxyde de carbone. Ce sont des problèmes géochimiques qui préoccupent le département américain de l'Énergie."

Le microscope pourrait également aider à répondre à des questions qui feraient progresser la compréhension de la science fondamentale.

"Comment ces atomes particuliers se comportent-ils à l'échelle atomique à ces températures dans ces conditions?" dit Higgins. "Ce type de microscope est vraiment incomparable en termes de capacité à répondre aux questions qui pourraient être formulées autour de cette prémisse. Parfois, vous apprenez quelque chose d'assez inattendu."

Higgins a déclaré que les fabricants de microscopes à force atomique commerciaux ne sont pas très intéressés par l'augmentation de la température cible.

"Nous devons donc les construire nous-mêmes, " a-t-il dit. " Nous devons les concevoir, il faut les tester, nous devons les appliquer à nos propres problèmes."

Jacky Bracco, un doctorat étudiant en sciences de l'environnement d'Atlanta, aide à construire le microscope. Le superviseur de l'atelier de génie mécanique John Lawless et l'étudiant en génie Matthew Pifher y ont également travaillé.

"Le principal défi consiste à prendre les matériaux que nous utilisions dans les anciennes itérations et à les utiliser à des températures plus élevées, ", a déclaré Bracco.

Higgins a déclaré qu'il faudra probablement un an avant que son équipe ne sache si le nouveau microscope pourra atteindre 250 degrés.