Sử dụng các điện tử để đưa ra cấu trúc nguyên tử của các hạt nano

Với kích thước cỡ một phần tỷ mét, các hạt nano quá nhỏ để có thể nhìn được bằng mắt thường. Tuy nhiên giờ đây, các nhà khoa học không những có thể nhìn thấy chúng mà còn quan sát được sự sắp xếp của các nguyên tử ba chiều bên trong chúng bằng cách sử dụng kỹ thuật đồ họa nano tinh thể (nanocrystallography). Vấn đề nảy sinh là các máy móc hiện đại có thể làm được việc này như X-ray synchrotrons lại chỉ có ở một vài nơi trên thế giới. Phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Brookhaven, Hoa Kỳ, NSLS (National Synchrotron Light Source) là một trong số đó, nơi tạo ra nguồn Synchrotrons và NSLS-II trong tương lai. Tại đây, các nhà khoa học đang sử dụng các chùm X-ray cường độ cao và sắc nét để khám phá vi cấu trúc của các vật liệu mới cho mục đích năng lượng, y dược và nhiều ứng dụng khác.

Các nhà khoa học ở trường Đại học kỹ thuật Columbia, Brookhaven cộng tác với các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne tại DOE ( Argonne National Laboratory – ANL) và trường Đại học Northwestern đã và đang phát triển các kỹ thuật đồ họa nano tinh thể để có thể sử dụng phổ biến hơn. Họ đã đưa ra một phương pháp hiệu quả gọi là phân tích hàm phân tán cặp nguyên tử (atomic pair distribution function – PDF). Phương pháp này cần có các chùm tia X synchrotron hoac nơtron để khám phá sự sắp xếp của các nguyên tử beeb trong các hạt nano mà có thể được thực hiện hờ vào một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), một thiết bị khá phổ biến trong các phòng thí nghiệm vật liệu và hóa học.

Trong một bài báo được đăng trên tạp chí Zeitschrift fur Kristallographie tháng 5 năm 2012, các nhà nghiên cứu mô tả việc thu thập dữ liệu dựa trên TEM và phân tích mô phỏng trên máy tính để xác định thông tin cấu trúc của các hạt nano (*).

Simon Billinge, một nhà nghiên cứu làm việc tại Brookhaven và Khoa Kỹ thuật và ứng dụng, đồng thời cũng là một thành viên lâu dài của NSLS, người đã tiến hành nghiên cứu trên cho biết “Khả năng thu thập dữ liệu PDF bằng cách sử dụng kính hiển vi đã đưa ra một phương pháp phân tích đồ họa cấu trúc tinh thể rất hiệu quả cho những nhà khoa học, những người nghiên cứu cấu trúc nano và tạo ra các hạt nano”.

Billinge, giáo sư khoa học vật liệu và toán lý ứng dụng của trường Đại học kỹ thuật Columbia, cho rằng “các thực nghiệm tiên tiến vẫn sẽ tiếp tục được tiến hành trên các máy X-rsy synchrotron và tán xạ nơtron công nghệ cao. Tuy nhiên, phát triển mới này sẽ khắc phục các hạn chế chính để có thể ứng dụng rộng rãi hơn phương pháp này, tạo ra phần PDF chuẩn và đưa vào các phòng thí nghiệm tổng hợp vật liệu. Tốt hơn là đưa đồ họa tinh thể từ chỗ có thể đến việc sử dụng chúng”.

Trong cả hai phương pháp sử dụng Synchrotron và TEM, nguyên lý chung là dùng chùm tia X để bắn vào mẫu nghiên cứu (đối với synchrotron x-ray) hoặc dùng chùm điện tử (electron) đối với TEM, và sau đó đo đạc tương tác giữa chùm tia (hạt) với các nguyên tử ở trong mẫu. Kết quả là các phổ nhiễu xạ mà sẽ được sử dụng để đo đạc sự phân bố khoảng cách giữa các cặp hạt bên trong một thể tích xác định – gọi là hàm phân bố cặp nguyên tử – PDF. Các nhà khoa học sau đó sử dụng các phần mềm máy tính để chuyển số liệu PDF thành các mô hình 3-D về cấu trúc nguyên tử.

Nhiễu xạ điện tử đã được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử trong pha khí, các màng mỏng cấu trúc vô định hình, tuy nhiên các nhà khoa học không biết rằng chúng cũng thích hợp để tạo ra các dữ liệu PDF từ các phân tích cấu trúc nano tinh thể của vật liệu. Bởi vì không giống như các photon tia X, các điện tử tán xạ rất mạnh và làm biến dạng phổ nhiễu xạ. Nghiên cứu mới này cho thấy rằng dưới những điều kiện xác định và quá trình thu thập dữ liệu chính xác thi phương pháp dùng máy TEM cho các kết quả PDF về cấu trúc các hạt nano chính xác hơn các phương pháp khác. Một ưu điểm khác của kỹ thuật này là nó cho phép phân tích sự sắp xếp cấu trúc mức nguyên tử sử dụng cùng một công cụ đã được thực hiện để đạt được các bức ảnh với độ phân giải cao hoặc thấp và các thông tin hóa học của cấu trúc nano ở trên máy TEM.

Milinda Abeykoon, một nghiên cứu sinh sau tiến sỹ tại Brookhaven, là tác giả đầu tiên của bài báo này cho biết “ Thực tế là các bức ảnh về khoảng cách thực và dữ liệu nhiễu xạ phù hợp cho nghiên cứu cấu trúc có thể đạt được ở cùng một thời điểm trên cùng một vùng của vật liệu sẽ đưa ra các thông tin đầy đủ hơn về các đặc tính của vật liệu”.

Hiện tại, các nhà khoa học kết hợp với đồng tác giả Mercouri Kanatzidis tại Đại học Northwestern và ANL nghiên cứu tổng hợp các màng mỏng nano tinh thể và các hạt nano vàng (Au), Natri clorit (NaCl), và sử dụng máy TEM ở Đại học Northwestern để thu thập các dữ liệu PDF. Nhóm nghiên cứu khác tại Brookhaven/Columbia thì nghiên cứu các mẫu tương tự nhưng sử dụng máy Synchrotron x-ray để đưa ra các kết quả PDF và cấu trúc nguyên tử. Các kết quả PDF từ dữ liệu X-ray và điện tử (electron) thu được gần như trùng khớp nhau.

Billinge cho biết “ Trong một vài trường hợp, tán xạ điện tử mạnh dẫn đến một số sự sai khác trong PDF. Tuy nhiên, vấn đề này chỉ ảnh hưởng đến vài thông số không quan trọng về cấu trúc, thậm chí còn làm tăng các tín hiệu theo một hướng mà có thể sẽ được sử dụng trong phép đo với độ phân giải cao hơn. Đó giống như một món quà ngoài cả mong đợi ”.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tìm ra các biện pháp để khắc phục các hạn chế trong quá trình thu thập dữ liệu và đưa chúng từ những khái niệm mang tính chất lý thuyết đến ứng dụng rộng rãi.

* Jenni R. Popp, Justine J. Roberts, Doug V. Gallagher, Kristi S. Anseth, Stephanie J. Bryant, Timothy P. Quinn. An Instrumented Bioreactor for Mechanical Stimulation and Real-Time, Nondestructive Evaluation of Engineered Cartilage Tissue.
Journal of Medical Devices, 2012; 6 (2): 021006 DOI: 10.1115/1.4006546
Nguồn http: www.sciencedaily.com
Việt Bắc @ MES Lab., (biên dịch)