Des chercheurs de l'Université Northwestern ont développé une nouvelle méthode pour héberger les molécules de gaz pendant qu'elles sont analysées en temps réel, en utilisant des structures en nid d'abeille trouvées dans la nature comme source d'inspiration pour une membrane céramique ultra-fine qu'ils ont incorporée pour envelopper l'échantillon.

En plus de déduire les signatures des atomes de gaz grâce à leurs liaisons uniques, la stratégie d'encapsulation fonctionne au sein de microscopes électroniques à transmission (TEM) sous vide poussé pour améliorer l'imagerie des nanostructures solides. Ces outils peuvent être utilisés à tous les niveaux, des laboratoires nationaux menant des recherches fondamentales aux start-ups innovantes créant des applications pratiques.

Lorsque les électrons s’éloignent de leur trajectoire d’origine lorsqu’ils traversent un échantillon, la résolution et le contraste de l’image se dégradent. Conçue par une équipe de scientifiques en matériaux de Northwestern, la micropuce en nitrure de silicium qui en résulte a minimisé la diffusion de fond.

"Notre équipe a développé une membrane si fine que les électrons peuvent traverser le nanoréacteur avec un minimum de distraction", a déclaré le scientifique des matériaux Vinayak Dravid. "Nous avons ancré un film ultra-fin de nitrure de silicium sur notre structure en nid d'abeilles, ce qui nous donne une cellule avec des membranes de chaque côté."

L'article a été publié le 17 janvier dans la revue Science Advances. .

Dravid, auteur de l'article, est professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern et directeur fondateur du NUANCE Center, où les travaux ont été menés. Il est également directeur associé des initiatives mondiales à l'Institut international de nanotechnologie.

En collaboration avec Xiaobing Hu, auteur co-correspondant et professeur agrégé de recherche au sein du département de science et d'ingénierie des matériaux, et Kunmo Koo, premier auteur et associé de recherche au Centre NUANCE, l'équipe de recherche de Dravid a développé la plate-forme pour les cellules à gaz utilisant une membrane. -Cinquième plus épais que les micropuces disponibles dans le commerce.

Les images avant et après montrant les réactions étaient frappantes.

"L'épaisseur des membranes conventionnelles a tendance à être très grande pour maintenir l'intégrité mécanique sous le vide extrêmement poussé créé par le microscope", a déclaré Dravid. "Imaginez que je doive avoir des lunettes très épaisses qui absorbent beaucoup de lumière et, par conséquent, je ne vois pas grand-chose. Les images que nous avons produites avec notre invention ressemblent presque à un désembuage des lunettes."

Dravid a comparé la différence à celle du télescope spatial James Webb, dans lequel des corps auparavant invisibles étaient mis au point. Il est important de noter que la membrane a permis à l'équipe d'utiliser la spectroscopie pour effectuer une analyse « jusqu'à une poignée d'atomes de gaz » – en distinguant, par exemple, une différence entre des molécules d'apparence auparavant identiques, comme le dioxyde de carbone (CO₂ ) et le monoxyde de carbone (CO), qui sont essentiels aux technologies émergentes d'énergie propre.

La spectroscopie permet aux chercheurs de voir comment les électrons interagissent avec les atomes qu'ils imagent, en voyant comment ils absorbent, réfléchissent ou émettent des énergies spécifiques tout en révélant une empreinte spectroscopique unique.

Développer une méthode pour analyser comment les choses changent avec le temps, la pression et la température et voir comment les fluides interagissent avec les nanoparticules est essentiel aux technologies émergentes d’énergie propre et de batteries au niveau moléculaire. Grâce à cette nouvelle avancée, les technologies appliquées telles que le photovoltaïque et les systèmes d'énergie catalytique peuvent être mieux analysées aux échelles nanométrique et électronique.

"La membrane céramique ultra-fine peut être appliquée à une discipline plus large, ne se limitant pas à la microscopie électronique", a déclaré M. Hu. "Par exemple, de meilleurs résultats sont attendus pour les caractérisations à la lumière ou aux rayons X. Et la stratégie peut être largement étendue aux diaphragmes et aux composants mécaniques qui nécessitent une faible épaisseur mais une résistance mécanique élevée."

Grâce à la nouvelle technique, les chercheurs peuvent observer des résolutions allant jusqu'à environ 1,02 angströms, contre environ 2,36 angströms lors des expériences précédentes. L'équipe a déclaré avoir atteint la résolution spatiale et la visibilité spectrale les plus élevées jamais enregistrées dans leur domaine.

Au-delà des microscopes, l'équipe espère appliquer sa technologie de plateforme à d'autres problèmes, car la technique d'encapsulation pourrait s'appliquer à n'importe quelle micropuce ou technique optique.

"Dans n'importe quel domaine, plus fin est préférable, car vous obtenez moins d'informations du conteneur épais que de l'objet intérieur lui-même", a déclaré Koo.

Plus d'informations : Kunmo Koo et al, Micropuce ultra-mince en nitrure de silicium pour la microscopie in situ/operando à haute résolution spatiale et visibilité spectrale, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj6417

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Fourni par l'Université Northwestern