Scienziati del laboratorio di ricerca dell’esercito degli Stati Uniti che creano ricostruzioni 3D di campioni di livello atomico
L’US Army Research Laboratory ( ARL ) è responsabile di numerose ricerche di stampa 3D innovative nel corso degli anni, come i droni da stampa 3D e il lavoro con materiale di stampa 3D riciclato . Ora, gli scienziati dei materiali dell’ARL si stanno concentrando su qualcosa di molto più piccolo che potrebbe avere un impatto molto grande – analizzando campioni di metallo e ceramica a livello atomico.
Il dottor Chad Hornbuckle, scienziato dei materiali presso la direzione delle ricerche sulle armi e materiali dell’ARL, è specializzato nella caratterizzazione microstrutturale mediante microscopi elettronici e tomografia a sonda atomica (APT) e sta lavorando alla ricerca a livello atomico. Ha detto che l’esclusiva sonda atomica utilizzata in questa ricerca non solo stabilisce lo standard di accuratezza in chimica, ma è anche necessaria per comprendere la struttura interna dei materiali stessi.
“La sonda atomica ci fornisce una ricostruzione 3-D a livello atomico. Quando vedi la ricostruzione che è composta da milioni di punti, i punti sono in realtà singoli atomi “, ha spiegato il dottor Hornbuckle.
“È fondamentalmente l’unica macchina al mondo in grado di farlo a livello atomico. Ci sono macchine, come microscopi a trasmissione elettronica o TEM, che eseguono analisi chimiche, ma non sono così precise. ”
Il dottor Chad Hornbuckle, uno scienziato dei materiali con l’ARL, è specializzato nella tomografia con sonda atomica, che analizza ceramica o metallo 1.000 volte più piccolo di un capello umano.
Poiché gli esperimenti richiedono coerenza, è estremamente importante mantenere un alto livello di accuratezza durante una ricerca come questa.
Il Dr. Hornbuckle ha detto: “Potresti avere un effetto una volta sola, ma se la chimica cambia, hai un effetto completamente diverso la volta successiva. Se non riesci a controllare la chimica, non puoi controllare le proprietà. ”
Se pensavate che lavorare a livello di nanoscala fosse piccolo, considerate questo: i campioni a livello atomico analizzati in questa ricerca sono circa 1.000 volte più piccoli della fine di una ciocca di capelli umani. I ricercatori devono creare punte molto nitide per preparare i campioni all’analisi, che vengono utilizzati per macinare, o sabbiare, i materiali usando il gallio e un microscopio a fascio ionico focalizzato o un microscopio elettronico a scansione a doppio raggio. Quindi vengono inseriti nella sonda atomica.
L’interno della sonda è un vuoto molto freddo. I campioni di atomo sono ionizzati con un laser, o un impulso di tensione, all’interno della punta della sonda, che li fa evaporare dalla superficie. Quindi, gli ioni evaporati vengono analizzati e identificati, il che si traduce in un modello 3D con una risoluzione spaziale quasi atomica.
Lo stesso Dr. Hornbuckle sviluppò la sonda durante il suo periodo come studente laureato all’Università dell’Alabama . Scienziati dell’esercito e altri ricercatori ora gli chiedono il suo aiuto per la caratterizzazione dei campioni e utilizzano la tecnologia APT per determinare quali atomi si trovano dove si trovano in un materiale.
La dottoressa Denise Yin, una postdoctoral fellow presso l’ARL, ha dichiarato: “Posso darti un esempio specifico di come ha aiutato la nostra ricerca. Stavamo elettrodepositando il rame in un campo magnetico e abbiamo trovato una fase chimica che utilizzava la sonda atomica che altrimenti non si sarebbe manifestata nella elettrodeposizione convenzionale.
“L’elettrodeposizione è un processo che crea un sottile rivestimento metallico.
Avevamo problemi nell’identificare questa fase usando altri metodi, ma la sonda atomica ci ha detto esattamente di cosa si trattava e come è stato distribuito. ”
Il dottor Yin ha detto che la sonda atomica ha capacità “impressionanti”:
“Puoi vedere gli atomi apparire in tempo reale. Di nuovo, è su scala nanometrica, quindi è molto più fine di tutte le altre tecniche di caratterizzazione. La sonda atomica ci ha detto abbastanza facilmente che la fase sconosciuta era costituita da due diversi tipi di una fase di idruro di rame, e non è qualcosa che avremmo potuto rilevare usando quegli altri metodi. ”
Esiste solo un numero limitato di queste sonde atomiche e quello utilizzato dall’ARL è uno dei pochi negli Stati Uniti. Quindi puoi immaginare che molte università sperano di usarlo per analizzare i propri campioni. Come parte del suo modello di business di Open Campus , il laboratorio cerca accordi formali.
Il direttore di ARL Dr. Philip Perconti ha spiegato: “Open Campus significa condividere le strutture ARL di livello mondiale e opportunità di ricerca per i nostri partner. Un fiorente programma Open Campus aumenta le opportunità per il progresso tecnologico e il trasferimento delle conoscenze di ricerca. ”
Il Dr. Hornbuckle ha affermato che una collaborazione con la Lehigh University ha prodotto alcuni “risultati importanti”.
Gli scienziati dell’esercito esplorano i materiali a livello nanometrico con l’obiettivo di trovare proprietà più resistenti o più resistenti al calore per sostenere l’esercito del futuro.
“Un’università con cui collaboriamo è Lehigh University . All’inizio, questa collaborazione è stata più di uno scambio reciproco di competenze, in cui ho analizzato alcuni dei loro campioni nella sonda atomica e hanno usato il loro microscopio elettronico a correzione di aberrazione per analizzare alcuni dei nostri campioni di rame-tantalio “, ha detto il dott. Hornbuckle . “Ora abbiamo un accordo di cooperazione con loro per continuare questa collaborazione.
“In realtà ho eseguito una lega di nichel-tungsteno che è stata elettrodepositata per loro e identificato e quantificato la presenza di elementi di numero atomico basso come ossigeno e sodio. Ciò ha portato a un articolo di un giornale di ricerca con molti altri in preparazione “.
L’ARL sta inoltre collaborando con la Texas A & M University per l’analisi a livello atomico.
“Questa collaborazione è iniziata grazie all’iniziativa Open Campus. Ho analizzato alcune leghe di nichel-titanio che erano state stampate in 3-D. Hanno notato alcuni precipitati su scala nanometrica all’interno dei materiali stampati in 3-D, ma non sono stati in grado di identificarli con il loro TEM “, ha detto il dottor Hornbuckle. “Sto cercando di determinare la chimica della fase usando la sonda atomica, che dovrebbe aiutare a identificarla.”
L’ Università dell’Alabama è un altro dei partner di ARL e questa collaborazione ha portato alla pubblicazione di numerosi articoli di riviste di ricerca.
“Hanno una versione diversa della sonda atomica. Hanno eseguito alcune nostre leghe nella loro versione e le nostre per confrontare le differenze rilevate nello stesso materiale. Questo materiale è in realtà scalato attraverso una serie di processi che sono rilevanti per il braccio “, ha spiegato il dottor Hornbuckle.
Oltre a creare connessioni importanti e significative, queste diverse partnership forniscono anche all’Esercito l’accesso ad attrezzature non reperibili presso l’ARL. Quindi, la conoscenza che i ricercatori dell’esercito imparano attraverso questa ricerca congiunta può essere applicata ai problemi attuali che l’Esercito sta affrontando, così come allo sviluppo di materiali rilevanti per il futuro.
Il Dr. Hornbuckle ha detto: “Quando vedi cose che nessun altro umano ha mai visto prima, è molto bello pensare che sto contribuendo a spingere la nuova scienza dei materiali moderni, che ovviamente è usata per l’Esercito. Ogni volta che gestiamo un nuovo materiale pensiamo a come possiamo aiutare il Soldato con questa nuova scoperta.
”