ปิด Btn

เลือกไซต์ภูมิภาคของคุณ

ปิดหน้านี้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงพิเศษช่วยกระตุ้นความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงพิเศษช่วยกระตุ้นความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์

สัมภาษณ์ 01

ศาสตราจารย์ยูอิจิ อิคุฮาระ
สถาบันนวัตกรรมวิศวกรรม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยโตเกียว

เปลี่ยนจากการผลิตโดยอาศัยประสบการณ์และสัญชาตญาณเป็นการผลิตที่มีเหตุผลตามทฤษฎีและหลักฐาน
กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนความละเอียดสูงพิเศษ JEOL รองรับความก้าวหน้าอย่างมากในด้านวัสดุศาสตร์

สำรวจขอบเขตธัญพืช

วัสดุทางอุตสาหกรรม เช่น โลหะและเซรามิกส์มีโครงสร้างโพลีคริสตัลไลน์ที่ประกอบด้วยเม็ดคริสตัลไลท์ขนาดเล็กจำนวนมาก ส่วนต่อประสานระหว่างผลึกเรียกว่าขอบเกรน ขอบเกรนมีบทบาทในการกำหนดคุณสมบัติของวัสดุ และกลายเป็นประเด็นที่น่าสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
“โครงสร้างที่ไม่เป็นคาบ เช่น พื้นผิวคริสตัล ส่วนต่อประสาน ความคลาดเคลื่อน และตำแหน่งว่างของอะตอม มีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะของตัวเอง สิ่งเหล่านี้เป็นที่มาของฟังก์ชันที่ไม่พบในผลึกที่สมบูรณ์แบบ หากเราสามารถชี้แจงโครงสร้างอะตอมและอิเล็กทรอนิกส์ของขอบเขตเกรนตลอดจนกลไกของฟังก์ชันได้ ก็จะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออุตสาหกรรม ซึ่งจะมีส่วนในการพัฒนาวัสดุที่มีฟังก์ชันใหม่”
ศาสตราจารย์ Yuichi Ikuhara จาก Institute of Engineering Innovation, School of Engineering, University of Tokyo กล่าว เขาทำงานเกี่ยวกับขอบเขตของเกรนในระดับอะตอมตั้งแต่เขายังเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา และยังคงค้นคว้าวิจัยต่อไปโดยเน้นหนักไปที่การสังเกตและการวัดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

การปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในวิศวกรรมวัสดุ

การถือกำเนิดของการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราด (STEM) เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านการวิจัยนี้ เนื่องจากธรรมชาติของเลนส์อิเล็กตรอนทรงกลม จึงเกิดการเบลอ (ความคลาดเคลื่อนทรงกลม) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้จากเลนส์อิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม การใช้สนามแม่เหล็กที่ไม่สมมาตรตามแนวแกนที่สร้างโดยเลนส์หลายขั้ว มีความเป็นไปได้ที่จะขจัดความพร่ามัวนี้ออกไปได้เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งช่วยให้สามารถสังเกตวัตถุที่ระดับอังสตรอมได้โดยตรงและมีความละเอียดสูงมาก ทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังวิธีนี้เป็นที่รู้จักกันมาระยะหนึ่งแล้ว แต่การปฏิบัติจริงนั้นยาก นับตั้งแต่ช่วงปลายยุค 90 เทคโนโลยีเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ได้รับการตระหนักและยินดีเป็นอย่างยิ่งจากชุมชนการวิจัย
ศาสตราจารย์อิคุฮาระเป็นหนึ่งในนักวิจัยเหล่านั้น
“การหาสาเหตุที่วัสดุมีฟังก์ชันบางอย่างสามารถอธิบายได้ในระดับอะตอม นี่อาจเป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของวัสดุศาสตร์”
ตัวอย่างเช่น เป็นที่ทราบกันดีว่าการเพิ่มอิตเทรียมแรร์เอิร์ธจำนวนเล็กน้อยลงในอลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) จะเพิ่มความแข็งแรงอย่างมาก แต่ก็ไม่เคยอธิบายอย่างครบถ้วนว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น ศาสตราจารย์อิคุฮาระแนะนำหนึ่งในระบบ STEM เชิงพาณิชย์ระบบแรกของญี่ปุ่นที่มีการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลม โดยใช้เครื่องมือนี้ เขาสังเกตและเปรียบเทียบส่วนต่อประสานอลูมินาทั้งก่อนและหลังการเติมอิตเทรียม ด้วยวิธีนี้ เขายืนยันว่าอะตอมของอิตเทรียมตั้งอยู่เป็นระยะที่ตำแหน่งเฉพาะของขอบเขตเมล็ดพืชอลูมินา และพันธะไอออนิกของอะลูมินาถูกเปลี่ยนเป็นพันธะโควาเลนต์ การค้นพบนี้เผยแพร่ในวารสาร Science ในปี 2006 ตั้งแต่นั้นมา พลังของการแก้ไขความคลาดทรงกลมก็ถูกควบคุมสำหรับช่วงต่างๆ ของการค้นพบอย่างต่อเนื่อง
ศาสตราจารย์อิคุฮาระยังคงประกาศผลที่สำคัญของการวิเคราะห์ขอบเขตของเมล็ดพืชในระดับอะตอมต่อไป โดยส่วนใหญ่ผ่านการตีพิมพ์ในวารสารเช่น ธรรมชาติและวิทยาศาสตร์ ในปี 2010 ความสำเร็จของเขาได้รับการยอมรับว่าเป็น Humboldt Research Award (เยอรมนี); ในปี พ.ศ. 2013 เขาได้รับรางวัลเกียรตินิยมด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจากรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างข้อบกพร่องและความคลาดเคลื่อนซึ่งก่อให้เกิดส่วนต่อประสานคริสตัลเซรามิก ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ใช้ในการคำนวณทางทฤษฎีเพื่อออกแบบเซรามิกที่มีโครงสร้างบกพร่องซึ่งไม่พบในวัสดุที่มีอยู่ การสังเกตโครงสร้างข้อบกพร่องเหล่านี้โดยใช้ STEM ที่มีการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลม ทำให้สามารถยืนยันได้ว่าโครงสร้างนั้นตรงกับการคาดการณ์ตามทฤษฎีหรือไม่
ดวงตาของศาสตราจารย์อิคุฮาระเป็นประกายในขณะที่เขากล่าวว่า “สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับวิธีการพัฒนาวัสดุแบบเดิมๆ โดยอาศัยสัญชาตญาณและการลองผิดลองถูก วิธีการที่มีเหตุผลผ่านการคำนวณและการสังเกตเพื่อควบคุมโครงสร้างของข้อบกพร่องขัดแตะแบบเทียมจะเร่งความก้าวหน้าในอนาคตในด้านวัสดุศาสตร์อย่างแน่นอน”

การสังเกตอะตอมไฮโดรเจนที่มีความละเอียดสูงเป็นพิเศษ

ห้องทดลองของศาสตราจารย์อิคุฮาระประกอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงพิเศษ GRAND ARM ตัวแรกของโลกที่ผลิตโดย JEOL ติดตั้งปืนอิเล็กตรอนแบบปล่อยแคโทดแบบเย็นในการกำหนดค่ามาตรฐาน โดยมีแรงดันไฟฟ้าเร่งสูงสุด 300 kV และรวมเอาตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมของ JEOL รุ่นล่าสุด GRAND ARM มีความสามารถในความละเอียด STEM ที่ 45 น..
ศาสตราจารย์อิคุฮาระแสดงความเห็นชอบของเขา
“แม้แต่องค์ประกอบที่เบาอย่างไฮโดรเจนและลิเธียมก็สามารถสังเกตได้อย่างละเอียด แม้จะอยู่ใกล้กันก็ตาม เราอาจพูดได้ว่าการแก้ปัญหาก็เพียงพอแล้ว”

รูปภาพ HAADF-STEM (ซ้าย) และรูปภาพ ABF-STEM (ขวา) ของคริสตัลไททาเนียมออกไซด์ที่มีการวางแนว [110] (ได้มาจาก GRAND ARM)

รูปภาพ HAADF-STEM (ซ้าย) และรูปภาพ ABF-STEM (ขวา) ของคริสตัลไททาเนียมออกไซด์ที่มีการวางแนว [110] (ได้มาจาก GRAND ARM)
สามารถสังเกตคอลัมน์อะตอมออกซิเจนที่อยู่ติดกันในรูปภาพ ABF-STEM แยกกันได้

โครงสร้างอะตอมของซิลิกอน

โครงสร้างอะตอมของซิลิกอน

นอกจากนี้ เขายังรู้สึกซาบซึ้งต่อความสามารถในการใช้งานอินเทอร์เฟซของมนุษย์และมุมเอียงของชิ้นงานทดสอบขนาดใหญ่ “มีวิศวกรจำนวนหนึ่งในกลุ่มกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ JEOL ที่ได้ศึกษาวัสดุศาสตร์ การพัฒนาเครื่องมือจากมุมมองของผู้ใช้คือสิ่งที่ก่อให้เกิดการใช้งานที่ยอดเยี่ยม”

  • JEOL รับประกันมูลค่า: 63pm

นวัตกรรมผ่านความร่วมมือทางอุตสาหกรรมและวิชาการ

เบื้องหลังความก้าวหน้านี้คือระบบการวิจัยและพัฒนาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งทำได้โดยความร่วมมือระหว่างภาคอุตสาหกรรมและภาคการศึกษา
ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2005 มหาวิทยาลัยโตเกียวและ JEOL ได้ดำเนินการสำนักงานความร่วมมือทางธุรกิจและวิชาการ มีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน JEOL มากกว่า XNUMX ตัว รวมทั้ง GRAND ARM ซึ่งติดตั้งที่โรงงานของมหาวิทยาลัยโตเกียว ซึ่งสนับสนุนการวิจัยของ Institute of Engineering Innovation, School of Engineering, University of Tokyo คำติชมจากนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่ใช้เครื่องมือเหล่านี้ถูกรวมเข้ากับการออกแบบผลิตภัณฑ์อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วในช่วงหลายปีที่ผ่านมา
“มีผู้เยี่ยมชมจากต่างประเทศจำนวนมากเข้ามาดูในสำนักงานความร่วมมือทางธุรกิจ-วิชาการ GRAND ARM โดยให้ความสนใจอย่างมากกับผลกระทบของมัน การเผยแพร่วิธีการสังเกตและผลลัพธ์ที่ได้รับไปทั่วโลกอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในทุกด้านของการผลิต”
ยังมีความก้าวหน้าอีกมากในวิวัฒนาการของ STEM

ยูอิจิ อิคุฮาระ

ยูอิจิ อิคุฮาระ

ศาสตราจารย์ สถาบันนวัตกรรมวิศวกรรม คณะวิศวกรรมศาสตร์ The University of Tokyo
ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยวิศวกรรมนาโน

จบการศึกษาจากมหาวิทยาลัยคิวชู หลังจากทำงานใน Japan Fine Ceramics Center และ Case Western Reserve University (USA) ได้เข้าร่วม University of Tokyo ในตำแหน่งรองศาสตราจารย์ในปี 1996 สันนิษฐานว่าดำรงตำแหน่งปัจจุบันของเขาในปี 2003 ในปี 2010 ได้รับรางวัล Humboldt Research Award (ประเทศเยอรมนี) สำหรับผลงานของเขาในด้าน คุณสมบัติทางกายภาพและโครงสร้างไฮเปอร์ไฟน์ของส่วนต่อประสานวัสดุ ในเวลาเดียวกันดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University และเป็นนักวิจัยหลักที่ Nanostructures Research Laboratory ของ Japan Fine Ceramics Center American Ceramic Society Fellow และสมาชิกของ World Academy of Ceramics

โพสต์:ตุลาคม 2014

ติดต่อ

เจอีโอแอล ให้บริการสนับสนุนที่หลากหลายเพื่อให้แน่ใจว่าลูกค้าของเราสามารถใช้ผลิตภัณฑ์ของเราได้อย่างสบายใจ
โปรดติดต่อเรา