Mikroskop Elektron Resolusi Tinggi Merangsang Kemajuan dalam Sains Bahan

TEMUDUGA 01

Profesor Yuichi Ikuhara
Institut Inovasi Kejuruteraan, Sekolah Kejuruteraan, Universiti Tokyo

Beralih daripada pengeluaran berdasarkan pengalaman dan intuisi kepada pembuatan rasional berdasarkan teori dan bukti.
Mikroskop Elektron Resolusi Tinggi JEOL menyokong kemajuan besar dalam sains bahan.

Meneroka sempadan bijian

Bahan perindustrian seperti logam dan seramik mempunyai struktur polihabluran yang terdiri daripada banyak butiran kristal kecil. Antara muka antara kristal dipanggil sempadan butiran. Sempadan bijian memainkan peranan dalam menentukan sifat bahan, dan telah menjadi kawasan yang sangat diminati sejak beberapa tahun kebelakangan ini.
“Struktur bukan berkala, seperti permukaan kristal, antara muka, kehelan dan kekosongan atom, mempunyai struktur elektronik khusus mereka sendiri. Ini adalah sumber fungsi yang tidak terdapat dalam kristal sempurna. Jika kita boleh menjelaskan struktur atom dan elektronik bagi sempadan bijian serta mekanisme fungsi, ini akan memberi kesan yang ketara kepada industri, menyumbang kepada pembangunan bahan dengan fungsi baharu.”
Demikian kata Profesor Yuichi Ikuhara dari Institut Inovasi Kejuruteraan, Sekolah Kejuruteraan, Universiti Tokyo. Dia telah mengusahakan sempadan bijian pada peringkat atom sejak dia seorang pelajar siswazah, dan meneruskan penyelidikannya dengan penekanan berat pada pemerhatian dan pengukuran menggunakan mikroskop elektron.

Anjakan paradigma dalam kejuruteraan bahan

Kemunculan pembetulan penyimpangan sfera untuk mengimbas mikroskop elektron penghantaran (STEM) merupakan satu kejayaan besar dalam bidang penyelidikan ini. Disebabkan oleh sifat kanta elektron bulat, terdapat kekaburan yang tidak dapat dielakkan (penyimpangan sfera) daripada kanta elektron. Walau bagaimanapun, dengan menggunakan medan magnet bukan paksi-simetri yang dijana oleh kanta berbilang kutub, adalah mungkin untuk menghapuskan kekaburan ini, membolehkan pemerhatian langsung, resolusi super tinggi objek pada tahap Angstrom. Teori di sebalik kaedah ini telah diketahui sejak sekian lama, tetapi pelaksanaan praktikal adalah sukar. Sejak akhir 90-an, teknologi untuk mencapai matlamat ini telah direalisasikan, dan disambut dengan gembira oleh komuniti penyelidik.
Profesor Ikuhara adalah salah seorang penyelidik tersebut.
"Memikirkan mengapa bahan mempunyai fungsi tertentu kini boleh dijelaskan pada peringkat atom. Ini mungkin salah satu anjakan paradigma yang paling ketara dalam sejarah sains bahan."
Sebagai contoh, diketahui bahawa menambah sejumlah kecil yttrium nadir bumi kepada alumina (aluminium oksida) sangat meningkatkan kekuatan, tetapi ia tidak pernah dijelaskan sepenuhnya mengapa ini berlaku. Profesor Ikuhara memperkenalkan salah satu sistem STEM komersial pertama Jepun yang menggabungkan pembetulan penyimpangan sfera. Menggunakan instrumen ini, dia memerhati dan membandingkan antara muka alumina sebelum dan selepas penambahan yttrium. Dengan cara ini, beliau mengesahkan bahawa atom yttrium terletak secara berkala di tapak tertentu sempadan butiran alumina, dan bahawa ikatan ionik alumina telah ditukar kepada ikatan kovalen. Penemuan ini diterbitkan dalam jurnal Science pada tahun 2006. Sejak itu, kuasa pembetulan penyimpangan sfera telah dimanfaatkan untuk julat sebagai penggantian penemuan yang mantap.
Profesor Ikuhara terus mengumumkan keputusan penting analisisnya tentang sempadan bijian di peringkat atom, terutamanya melalui penerbitan dalam jurnal seperti Alam dan Sains. Pada tahun 2010, pencapaian beliau telah diiktiraf sebagai Anugerah Penyelidikan Humboldt (Jerman); pada 2013 beliau telah dianugerahkan Anugerah Sains dan Teknologi daripada Menteri Pendidikan, Kebudayaan, Sukan, Sains dan Teknologi.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, penyelidikan telah berkembang pada struktur kecacatan dan kehelan yang membentuk antara muka kristal seramik. Super-komputer digunakan untuk melakukan pengiraan teori untuk mereka bentuk seramik dengan struktur kecacatan yang tidak terdapat dalam bahan sedia ada. Dengan memerhatikan struktur kecacatan ini menggunakan STEM dengan pembetulan penyimpangan sfera, adalah mungkin untuk mengesahkan sama ada struktur sepadan dengan ramalan teori.
Mata Profesor Ikuhara berkilauan ketika dia berkata, “Ini betul-betul bertentangan dengan pendekatan tradisional untuk membangunkan bahan berdasarkan gerak hati dan percubaan dan kesilapan. Kaedah rasional melalui pengiraan dan pemerhatian untuk mengawal struktur kecacatan kekisi secara buatan pasti akan mempercepatkan kemajuan masa depan dalam sains bahan.

Pemerhatian resolusi ultra tinggi bagi atom hidrogen

Makmal Profesor Ikuhara termasuk mikroskop elektron resolusi ultra tinggi pertama di dunia GRAND ARM yang dikeluarkan oleh JEOL. Dilengkapi dengan senapang elektron pelepasan medan katod sejuk dalam konfigurasi standard, dengan voltan pecutan maksimum 300 kV dan menggabungkan versi terkini pembetul penyimpangan sfera JEOL sendiri, GRAND ARM mampu resolusi STEM 45 petang※.
Profesor Ikuhara menyuarakan persetujuannya.
“Malah unsur-unsur ringan seperti hidrogen dan litium boleh diperhatikan secara terperinci, walaupun ia berada dalam jarak yang dekat. Kita mungkin boleh mengatakan bahawa resolusi itu kini mencukupi."

Imej HAADF-STEM (kiri) dan imej ABF-STEM (kanan) bagi kristal titanium oksida dengan orientasi [110] (Diperolehi dengan GRAND ARM).
Adalah mungkin untuk memerhati secara berasingan lajur atom oksigen bersebelahan dalam imej ABF-STEM

Dia juga menghargai kebolehgunaan antara muka manusia dan sudut kecondongan spesimen yang besar. “Terdapat beberapa jurutera dalam kumpulan mikroskop elektron di JEOL yang telah mempelajari sains bahan. Membangunkan instrumen dari perspektif pengguna adalah yang menimbulkan kebolehgunaan yang sangat baik."

• Nilai dijamin JEOL: 63pm

Inovasi melalui Kerjasama Industri-Academia

Di sebalik kemajuan ini adalah sistem penyelidikan dan pembangunan yang lebih cekap dicapai melalui kerjasama antara industri dan ahli akademik.
Sejak 2005, Universiti Tokyo dan JEOL telah mengendalikan Pejabat Kerjasama Perniagaan-Akademik. Terdapat lebih daripada sepuluh mikroskop elektron JEOL, termasuk GRAND ARM, dipasang di kemudahan Universiti Tokyo, menyokong penyelidikan Institut Inovasi Kejuruteraan, Sekolah Kejuruteraan, Universiti Tokyo. Maklum balas daripada saintis bahan yang menggunakan instrumen ini digabungkan dengan cepat ke dalam reka bentuk produk, menyumbang kepada evolusi pesat sejak beberapa tahun yang lalu.
“Terdapat ramai pelawat dari luar negara datang untuk melihat di Pejabat Kerjasama Perniagaan-Academia GRAND ARM, menumpukan banyak perhatian terhadap impaknya. Menyebarkan kaedah pemerhatian dan memperoleh hasil ke seluruh dunia malah boleh membawa kepada perubahan dramatik dalam setiap bidang pembuatan."
Masih terdapat lebih banyak kemajuan di hadapan dalam evolusi STEM.

Disiarkan: Oktober 2014