创新的膜平台可实现“低至少数气体原子”的分析

西北大学的研究人员开发了一种新方法，可以在实时分析气体分子时承载气体分子，利用自然界中发现的蜂窝结构作为他们加入的超薄陶瓷膜的灵感，以包裹样品。

除了通过其独特的键推断气体原子的特征外，封装策略还在高真空透射电子显微镜 （TEM） 中起作用，以增强固体纳米结构的成像。这些工具可以全面使用，从进行基础研究的国家实验室到创建实际应用的创新型初创企业。

当电子在通过样品时偏离其原始路径时，图像分辨率和对比度会降低。由西北大学的材料科学家团队设计，由此产生的氮化硅微芯片最大限度地减少了背景散射。

“我们的团队开发了一种非常薄的膜，电子可以以最小的干扰通过纳米反应器，”材料科学家Vinayak Dravid说。“我们在蜂窝框架上锚定了一层超薄氮化硅薄膜，为我们提供了一个两侧都有膜的电池。

该论文将于1月17日发表在《科学进展》杂志上。

Dravid是西北大学麦考密克工程学院的亚伯拉罕·哈里斯材料科学与工程教授，也是NUANCE 中心的创始主任。他是该论文的作者。Dravid 还担任国际纳米技术研究所全球倡议副主任。Dravid研究团队与共同通讯作者、材料科学与工程系研究副教授Xiaobing 胡以及第一作者、NUANCE 中心研究助理Kunmo Koo一起，开发了气体电池平台，其膜厚度是市售微芯片的五分之一。

显示反应的前后图像令人震惊。

“传统膜的厚度往往非常大，以便在显微镜产生的极高真空下保持机械完整性，”Dravid说。“想象一下，我必须戴着非常厚的眼镜，吸收大量光线，结果我看不见太多东西。我们用我们的发明产生的图像看起来几乎就像揭开了眼镜的雾气。

德拉维德将这种差异与詹姆斯·韦伯太空望远镜进行了比较，后者以前看不见的物体成为焦点。重要的是，该膜允许该团队使用光谱学进行“低至少数气体原子”的分析——例如，辨别以前看起来相同的分子之间的差异，如二氧化碳（_{CO 2}）和一氧化碳（CO），这在新兴的清洁能源技术中至关重要。

光谱学使研究人员能够看到电子如何与他们正在成像的原子相互作用，了解它如何吸收、反射或发射特定能量，并揭示独特的光谱指纹。

开发一种方法来分析物体如何随时间、压力和温度变化，并观察流体如何与纳米颗粒相互作用，对于分子水平上新兴的清洁能源和电池技术至关重要。随着这一新进展，可以在纳米和电子长度尺度上更好地分析光伏和催化能源系统等应用技术。

“超薄陶瓷膜可以应用于更广泛的学科，而不仅限于电子显微镜，”胡说。“例如，光或X射线表征有望获得更好的结果。该策略可以广泛应用于需要低厚度但高机械强度的隔膜和机械部件。

使用这项新技术，研究人员可以看到分辨率低至1.02埃左右，而之前的实验约为2.36埃。该团队表示，他们已经实现了迄今为止该领域记录的最高空间分辨率和光谱能见度。

除了显微镜之外，该团队还希望将他们的平台技术应用于其他问题，因为封装技术可以应用于任何微芯片或基于光学的技术。

“在任何领域，越薄越好，因为与内部物体本身相比，你从厚容器中获得的信息更少，”Koo说。