Langsung ke konten utama

Ilmuwan Merekam Film 4D Reaksi Foton Elektron untuk Melacak Perubahan Struktur Materi Skala Atom

loading...
bisnis online

(KeSimpulan) Teknik baru-baru ini ditemukan oleh para peneliti di California Institute of Technology (Caltech) yang memungkinkan secara real-time dan real-space visualization dari perubahan singkat dalam struktur materi skala nano digunakan ke gambar produksi cepat medan listrik yang dihasilkan oleh interaksi elektron dan foton, serta untuk melacak perubahan pada struktur skala atom.

Makalah mendiskripsikan novel teknologi yang muncul di edisi 17 Desember jurnal Nature dan edisi 30 Oktober di jurnal Science. Empat dimensi (4D) mikroskop (metodologi yang didasarkan pada teknik baru) dikembangkan di Caltech's Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology. Pusat laboratorium yang dipimpin oleh Ahmed Zewail dari the Linus Pauling Professor of Chemistry dan profesor professor of fisika di Caltech, dan pemenang Nobel tahun 1999 di bidang Kimia.

Zewail dianugerahi Hadiah Nobel karena merintis ilmu femtochemistry, penggunaan kedipan laser ultrashort untuk mengamati reaksi kimia yang terjadi pada skala waktu femtosecond (satu juta hingga miliar detik). Eksperimen "menangkap atom dan molekul bergerak," kata Zewail, sementara snapshots dari molekul seperti memberikan "dimensi waktu" atas reaksi kimia, mereka tidak memberikan ruang dimensi dari reaksi yaitu struktur atau bangunan.

Zewail dan rekan-rekannya mampu memvisualisasikan hilangnya arsitektur 4D melalui mikroskop yang menggunakan satu elektron untuk memperkenalkan dimensi waktu tradisional menjadi mikroskop elektron resolusi tinggi, dengan demikian memberikan cara untuk melihat perubahan struktur sistem yang kompleks pada skala atom. Zewail bersama sarjana postdoctoral Aycan Yurtsever fokus pada suatu berkas elektron yang spesifik seukuran situs nano dalam spesimen, sehingga memungkinkan untuk mengamati struktur di dalam wilayah lokal pada tingkat atom.

Dalam difraksi elektron, sebuah objek diterangi dengan berkas elektron. Terpental elektron atom dalam objek, kemudian menyebar dan menyerang sebuah detektor. Pola yang dihasilkan pada detektor memberikan informasi tentang susunan atom dalam materi. Namun, jika atom-atom bergerak, pola akan menjadi buram, menutupi rincian tentang variasi materi dalam skala kecil.

Dalam makalah yang dipublikasikan di jurnal Science, teknik baru yang dirancang oleh Zewail dan Yurtsever menunjukkan masalah kekaburan dengan menggunakan pulsa elektron bukan berkas elektron yang stabil. Sampel yang diteliti yaitu wafer dari crystalline silicon, pertama-tama dipanaskan dan ditangkap dengan denyut pendek sinar laser. Sampel tersebut kemudian dipukul dengan denyut femtosecond elektron yang memantul dari atom sehingga menghasilkan pola difraksi pada sebuah detektor.

Karena elektron pulsa sangat singkat yang dipanaskan atom tidak memiliki waktu untuk bergerak jauh, ini lebih pendek untuk "waktu eksopur" menghasilkan gambar yang tajam. Dengan mengatur penundaan saat sampel dipanaskan dan ketika pengambilan gambar dilakukan, para ilmuwan dapat membangun sebuah data yang masih berupa gambar untuk dirangkai menjadi sebuah film. "Pada dasarnya semua spesimen kita berkaitan dengan heterogen. Teknik ini menyediakan sarana untuk memeriksa situs lokal material dan struktur biologis dengan resolusi spasial dari sebuah materi nanometer, dan waktu penyelesaian femtoseconds," Zewail menjelaskan dengan berbagai komposisi dari khasanah dunia yang sangat kecil.

Metode difraksi baru memungkinkan struktur materi yang akan dipetakan pada skala atom. Dengan teknik kedua yang dipublikasikan di jurnal Nature yang ditulis oleh sarjana postdoctoral Brett Barwick and David Flannigan, cahaya yang diproduksi oleh nanostructures tersebut dapat digambarkan dan dipetakan. Konsep di balik teknik ini melibatkan interaksi antara elektron dan foton. Foton menghasilkan bidang nanostructures yang cepat dan elektron dapat memperoleh energi dari bidang-bidang tersebut, sehingga terlihat dalam mikroskop 4D.

Apa yang dikenal sebagai photon-induced near-field electron microscopy (PINEM) effect, material-material tertentu (setelah dipukul dengan laser pulsa) akan "bersinar" secara singkat dan jumlah waktu yang diukur (di urutan puluhan ratus femtoseconds). Dalam eksperimen, para peneliti diterangi karbon nanotube dan silver nanowires dengan pulsa pendek dari sinar laser sebagai elektron yang ditembak sebelumnya.

Lingkungan yang bergerak cepat berlangsung selama femtoseconds dan elektron mengambil energi saat itu dalam jumlah discrete (quanta) sesuai dengan panjang gelombang cahaya laser. Energi dari sebuah elektron pada 200 kilo-electron volts (keV) meningkat sebesar 2.4 electron volts (eV), atau 4.8 eV, atau 7.2 eV, dan seterusnya, alternatif sebuah elektron tidak akan melakukan perubahan energi sama sekali. Jumlah elektron yang menunjukkan perubahan yang lebih mencolok jika waktunya tepat yaitu jika elektron melewati materi ketika bidang berada pada posisi terkuat.

Kekuatan dari teknik ini akan menyediakan cara untuk memvisualisasikan lingkungan peristiwa yang bergerak cepat ketika elektron yang memiliki energi diidentifikasi secara selektif dan untuk gambar nanostructures sendiri ketika elektron yang tidak memperoleh energi yang dipilih. "Seperti yang disebutkan, teknik visualisasi ini membuka pandangan baru dari pencitraan dengan dampak potensi untuk bidang-bidang seperti plasmonics, photonics, dan disiplin terkait. Yang menarik dari sudut pandang fisika fundamental bahwa kita dapat menggunakan gambar foton elektron. Secara tradisional karena ketidakcocokan antara energi dan momentum elektron dan foton, kami tidak mengharapkan kekuatan efek PINEM atau kemampuan untuk memvisualisasikan dalam ruang dan waktu," kata Zewail.

Studi ini didukung oleh National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, dan Gordon and Betty Moore Foundation di Center for Physical Biology Caltech.

bisnis online
Ikuti sains dan teknologi terkini di: Laporan Penelitian. Update via: Google+ Twitter Facebook Pinterest YouTube
Kesimpulan.com menerima konten tentang teknologi, sains, lingkungan dan bisnis dari siapa saja. Kami siap untuk publikasi dan press release. Informasi lanjut kunjungi laman ini.

Komentar