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)
สามารถสังเกตคอลัมน์อะตอมออกซิเจนที่อยู่ติดกันในรูปภาพ ABF-STEM แยกกันได้

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

โพสต์:ตุลาคม 2014