[:uk-ua]
Матеріалознавці з Університету Міннесоти розробили новий метод створення та точного контролю мікроскопічних «дефектів» у надтонких матеріалах. Ці внутрішні недоліки, офіційно відомі як об’ємні дефекти, пропонують багатообіцяючий шлях до наділення наноматеріалів наступного покоління безпрецедентними властивостями, що потенційно може сприяти значному прогресу в нанотехнологіях.
Розуміння дефектів гучності
Об’ємні дефекти – це порушення кристалічної структури матеріалу, які поширюються на відносно велику площу, на відміну від точкових дефектів, які впливають на окремі атоми. Думайте про бездоганну кристалічну решітку як про ідеально впорядковану сітку будівельних блоків; об’ємний дефект подібний до навмисного, ретельно розміщеного розриву в цій сітці. Унікальність цих дефектів полягає в тому, що вони займають невеликий об’єм, при цьому істотно впливаючи на властивості навколишнього матеріалу.
Досягнення безпрецедентного контролю
Дослідження, опубліковане в Nature Communications, продемонструвало здатність створювати області всередині матеріалу з щільністю цих об’ємних дефектів у 1000 разів більшою, ніж у областях без візерунків. Цей рівень контролю є критично важливим, оскільки він дозволяє дослідникам налаштовувати властивості матеріалів у певних областях.
«Ці об’ємні дефекти цікаві тим, що вони поширюються по всьому матеріалу, але займають дуже малий об’єм», — пояснює Андре Мхоян, професор кафедри хімічної інженерії та матеріалознавства Університету Міннесоти та старший автор дослідження. «Ретельно контролюючи ці крихітні особливості, ми можемо використовувати властивості як самого дефекту, так і навколишнього матеріалу».
Техніка: Створення дефектів за шаблоном
Прорив команди полягає в новому підході до дизайну матеріалів. Вони виявили, що створюючи крихітні візерунки, що викликають дефекти, на поверхні перед вирощуванням тонкої плівки, вони можуть точно контролювати щільність і тип об’ємних дефектів.
«Ми знайшли новий спосіб проектування матеріалів, створюючи крихітні візерунки, що викликають дефекти, на підкладці перед вирощуванням тонкої плівки», — каже Супрія Гош, аспірантка лабораторії Мхояна та перший автор статті.
Ця техніка дозволяє створювати матеріали з кардинально різними властивостями в різних перетинах. Концентруючи дефекти по всій товщині матеріалу, дослідники можуть створювати нові плівки, де нанорозмірні візерунки в основному визначаються цими дефектами. Це може призвести до радикальних змін у поведінці матеріалу.
Більш широкі наслідки та майбутні застосування
Хоча початкові дослідження були зосереджені на оксидах перовскіту, класі матеріалів, які все частіше використовуються в сонячних батареях та інших додатках, дослідники вважають, що ця методика застосовна до різних типів тонких матеріалів. Потенційні вигоди значні. Це прокладає шлях для розробки електронних пристроїв, які використовують переваги унікальних властивостей, які забезпечують ці контрольовані дефекти.
У дослідженні взяли участь Джей Шах, Силу Гуо, Маянк Танвар, Донгван Кім, Сріджит Наір, Метью Неурок, Туран Бірол і Бхарат Джалан, усі з кафедри хімічної інженерії та матеріалознавства, а також Фенгден Лю з кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії.
По суті, це дослідження демонструє, що стратегічне впровадження недосконалостей може розблокувати абсолютно нові функціональні можливості наноматеріалів, відкриваючи шлях для нової ери дизайну матеріалів.
Цей інноваційний підхід до матеріалознавства має потенціал зробити революцію в нанотехнологіях, пропонуючи точний і універсальний метод для створення матеріалів із спеціальними властивостями в наномасштабі.
[:] [:ru-ru]
Ученые-материаловеды из Университета Миннесоты разработали новый метод создания и точного контроля микроскопических «дефектов» в ультратонких материалах. Эти внутренние несовершенства, формально известные как объемные дефекты, открывают многообещающий путь для наделения наноматериалов следующего поколения беспрецедентными свойствами, потенциально стимулируя значительный прогресс в нанотехнологиях.
Понимание объемных дефектов
Объемные дефекты – это нарушения кристаллической структуры материала, которые простираются на относительно большую площадь, в отличие от точечных дефектов, которые затрагивают отдельные атомы. Представьте себе безупречную кристаллическую решетку как идеально упорядоченную сетку строительных блоков; объемный дефект – это как намеренный, тщательно размещенный разрыв в этой сетке. Уникальность этих дефектов заключается в том, что они занимают небольшой объем, при этом оказывая значительное влияние на свойства окружающего материала.
Достижение беспрецедентного контроля
Исследование, опубликованное в Nature Communications, продемонстрировало способность конструировать области внутри материала с плотностью этих объемных дефектов во 1000 раз большей, чем в областях без узоров. Такой уровень контроля имеет решающее значение, поскольку он позволяет исследователям настраивать свойства материалов в определенных зонах.
«Эти объемные дефекты интересны тем, что они простираются по всему материалу, но занимают очень небольшой объем», — объясняет Андре Мкхоян, профессор кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты и старший автор исследования. «Тщательно контролируя эти крошечные особенности, мы можем использовать свойства как самого дефекта, так и окружающего материала».
Техника: Создание дефектов по шаблону
Прорыв команды заключается в новом подходе к проектированию материалов. Они обнаружили, что создавая крошечные, индуцирующие дефекты узоры на поверхности перед выращиванием тонкой пленки, они могут точно контролировать плотность и тип объемных дефектов.
«Мы нашли новый способ проектировать материалы, создавая крошечные, индуцирующие дефекты узоры на подложке перед выращиванием тонкой пленки», — говорит Суприя Гош, аспирантка лаборатории Мкхояна и первый автор статьи.
Эта техника позволяет создавать материалы с радикально разными свойствами в разных секциях. Концентрируя дефекты по толщине материала, исследователи могут генерировать новые пленки, где наноразмерные узоры в основном определяются этими дефектами. Это может привести к радикальным изменениям в поведении материала.
Более широкие последствия и будущие применения
Хотя первоначальное исследование было сосредоточено на перовскитных оксидах — классе материалов, все чаще используемых в солнечных элементах и других применениях, — исследователи считают, что этот метод применим к различным типам тонких материалов. Потенциальные выгоды весьма значительны. Он открывает путь к разработке электронных устройств, которые используют уникальные свойства, обусловленные этими контролируемыми дефектами.
В исследование вошли Джей Шах, Силу Гуо, Майянк Танвар, Донгхван Ким, Сриджит Наир, Мэтью Нейрок, Туран Бирол и Бхарат Джалан, все из кафедры химической инженерии и материаловедения, а также Фэндень Лю из кафедры электротехники и компьютерной инженерии.
По сути, это исследование демонстрирует, что стратегическое введение несовершенств может раскрыть совершенно новые функциональные возможности в наноматериалах, проложив путь к новой эре проектирования материалов.
Этот инновационный подход к материаловедению может совершить революцию в нанотехнологиях, предлагая точный и универсальный метод создания материалов с адаптированными свойствами в наноразмере.
[:] [:en]
Materials scientists at the University of Minnesota have discovered a novel method to create and precisely control microscopic “flaws” within ultra-thin materials. These internal imperfections, formally known as extended defects, offer a promising pathway to endow next-generation nanomaterials with unprecedented properties, potentially sparking significant advancements in nanotechnology.
Understanding Extended Defects
Extended defects are disruptions in a material’s crystal structure that extend across a relatively large area – unlike point defects which affect single atoms. Think of a pristine crystal lattice like a perfectly arranged grid of building blocks; an extended defect is like a deliberate, carefully placed break in that grid. The unique aspect of these defects is that they occupy a small volume while influencing the properties of the surrounding material significantly.
Achieving Unprecedented Control
The research, published in Nature Communications, demonstrated the ability to engineer regions within the material with densities of these extended defects up to 1,000 times greater than in areas without patterning. This level of control is crucial because it allows researchers to tailor materials’ properties in specific zones.
“These extended defects are exciting because they span the entire material but occupy a very small volume,” explains Andre Mkhoyan, a professor in the University of Minnesota’s Department of Chemical Engineering and Materials Science and senior author of the study. “By carefully controlling these tiny features, we can leverage the properties of both the defect and the surrounding material.”
The Technique: Patterned Defect Creation
The team’s breakthrough lies in a new approach to material design. They found that by creating tiny, defect-inducing patterns on the surface before growing the thin film, they could precisely control the density and type of extended defects.
“We figured out a new way to design materials by making tiny, defect-inducing patterns on the substrate surface before growing thin film on it,” said Supriya Ghosh, a graduate student in the Mkhoyan Lab and first author on the paper.
This technique allows for the creation of materials with drastically different properties in different sections. By concentrating defects along the material’s thickness, researchers can generate new films where nanometer-sized patterns are largely dictated by these defects. This could lead to radical changes in material behavior.
Broader Implications and Future Applications
While the initial study focused on perovskite oxides—a class of materials increasingly used in solar cells and other applications—the researchers believe this method is adaptable to various types of thin materials. The potential benefits are far-reaching. It opens a pathway towards developing electronic devices that harness the unique properties conferred by these controlled defects.
The research team included Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol, and Bharat Jalan, all from the Department of Chemical Engineering and Materials Science, along with Fengdeng Liu from the Department of Electrical and Computer Engineering.
In essence, this research demonstrates that strategically introducing imperfections can unlock entirely new functionalities in nanomaterials, paving the way for a new era of materials design.
This innovative approach to materials engineering could revolutionize nanotechnology by offering a precise and versatile method for creating materials with tailored properties at the nanoscale
[:] [:pl]
Naukowcy zajmujący się materiałami na Uniwersytecie w Minnesocie opracowali nową metodę tworzenia i precyzyjnego kontrolowania mikroskopijnych „defektów” w ultracienkich materiałach. Te wewnętrzne niedoskonałości, formalnie zwane defektami masowymi, stanowią obiecującą ścieżkę do nadania nowej generacji nanomateriałów niespotykanych dotąd właściwości, potencjalnie stymulując znaczący postęp w nanotechnologii.
Zrozumienie defektów głośności
Defekty objętościowe to zaburzenia struktury krystalicznej materiału rozciągające się na stosunkowo dużej powierzchni, w przeciwieństwie do defektów punktowych, które dotyczą pojedynczych atomów. Pomyśl o nieskazitelnej sieci krystalicznej jako o doskonale uporządkowanej siatce cegiełek; wada objętościowa jest jak celowe, starannie umiejscowione przerwanie tej siatki. Wyjątkowość tych defektów polega na tym, że zajmują niewielką objętość, mając jednocześnie znaczący wpływ na właściwości otaczającego materiału.
Osiągnięcie niespotykanej dotąd kontroli
Badania opublikowane w Nature Communications wykazały możliwość inżynierii obszarów w materiale o gęstości tych defektów objętościowych 1000 razy większej niż w obszarach bez wzorca. Ten poziom kontroli ma kluczowe znaczenie, ponieważ umożliwia badaczom dostrojenie właściwości materiałów w określonych obszarach.
„Interesujące w przypadku tych defektów objętościowych jest to, że rozciągają się one po całym materiale, ale zajmują bardzo małą objętość” – wyjaśnia Andre Mkhoyan, profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauki o Materiałach na Uniwersytecie w Minnesocie i główny autor badania. „Dokładnie kontrolując te drobne cechy, możemy wykorzystać właściwości zarówno samego defektu, jak i otaczającego go materiału”.
Technika: Tworzenie defektów przy użyciu szablonu
Przełomem zespołu jest nowe podejście do projektowania materiałów. Odkryli, że tworząc na powierzchni maleńkie wzory powodujące defekty przed wyhodowaniem cienkiej warstwy, mogą precyzyjnie kontrolować gęstość i rodzaj defektów objętościowych.
„Znaleźliśmy nowy sposób projektowania materiałów, tworząc maleńkie, powodujące defekty wzory na podłożu przed wyhodowaniem cienkiej warstwy” – mówi Supriya Ghosh, absolwentka laboratorium Mkhoyana i pierwsza autorka artykułu.
Technika ta pozwala na tworzenie materiałów o radykalnie różnych właściwościach w różnych przekrojach. Koncentrując defekty na całej grubości materiału, badacze mogą generować nowe filmy, w których defekty determinują przede wszystkim wzory w nanoskali. Może to prowadzić do radykalnych zmian w zachowaniu materiału.
Szersze implikacje i przyszłe zastosowania
Chociaż początkowe badania koncentrowały się na tlenkach perowskitu, klasie materiałów coraz częściej stosowanych w ogniwach słonecznych i innych zastosowaniach, naukowcy uważają, że technikę tę można zastosować do różnych typów cienkich materiałów. Potencjalne korzyści są znaczące. Toruje drogę do rozwoju urządzeń elektronicznych, które wykorzystują unikalne właściwości zapewniane przez te kontrolowane defekty.
W badaniu wzięli udział Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Srijit Nair, Matthew Neurok, Turan Birol i Bharat Jalan, wszyscy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Materiałowej oraz Fengden Liu z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej.
Zasadniczo badanie to pokazuje, że strategiczne wprowadzenie niedoskonałości może odblokować zupełnie nowe funkcje nanomateriałów, torując drogę nowej erze projektowania materiałów.
To innowacyjne podejście do inżynierii materiałowej może zrewolucjonizować nanotechnologię, oferując precyzyjną i wszechstronną metodę tworzenia materiałów o dostosowanych właściwościach w nanoskali.
[:] [:cs]
Materiáloví vědci z University of Minnesota vyvinuli novou metodu pro vytváření a přesnou kontrolu mikroskopických „defektů“ v ultratenkých materiálech. Tyto vnitřní nedokonalosti, formálně známé jako objemové defekty, nabízejí slibnou cestu k tomu, aby další generaci nanomateriálů vybavily bezprecedentními vlastnostmi, což potenciálně podnítí významný pokrok v nanotechnologii.
Porozumění vadám svazku
Objemové defekty jsou poruchy v krystalické struktuře materiálu, které se rozprostírají na relativně velké ploše, na rozdíl od bodových defektů, které postihují jednotlivé atomy. Představte si bezchybnou krystalickou mřížku jako dokonale uspořádanou mřížku stavebních bloků; objemová vada je jako úmyslný, pečlivě umístěný zlom v této síti. Jedinečnost těchto defektů spočívá v tom, že zabírají malý objem a přitom mají významný vliv na vlastnosti okolního materiálu.
Dosažení bezprecedentní kontroly
Výzkum publikovaný v Nature Communications prokázal schopnost navrhnout oblasti v materiálu s hustotou těchto objemových defektů 1000krát větší než v oblastech bez vzoru. Tato úroveň kontroly je kritická, protože umožňuje výzkumníkům vyladit vlastnosti materiálů ve specifických oblastech.
“Na těchto objemových defektech je zajímavé, že se rozprostírají po celém materiálu, ale zabírají velmi malý objem,” vysvětluje Andre Mkhoyan, profesor na katedře chemického inženýrství a materiálových věd na University of Minnesota a hlavní autor studie. “Pečlivou kontrolou těchto drobných rysů můžeme využít vlastnosti defektu samotného i okolního materiálu.”
Technika: Vytváření defektů pomocí šablony
Průlom týmu spočívá v novém přístupu k designu materiálů. Zjistili, že vytvořením drobných, defekty vyvolávajících vzorů na povrchu před vypěstováním tenkého filmu, mohli přesně řídit hustotu a typ objemových defektů.
„Našli jsme nový způsob, jak navrhovat materiály vytvořením drobných vzorů způsobujících defekty na substrátu před vypěstováním tenkého filmu,“ říká Supriya Ghosh, postgraduální studentka v Mkhoyanově laboratoři a první autorka článku.
Tato technika umožňuje vytvářet materiály s radikálně odlišnými vlastnostmi v různých řezech. Soustředěním defektů v celé tloušťce materiálu mohou výzkumníci generovat nové filmy, kde jsou vzory v nanoměřítku primárně určeny těmito defekty. To může vést k radikálním změnám v chování materiálu.
Širší implikace a budoucí aplikace
Zatímco počáteční výzkum se soustředil na oxidy perovskitu, třídu materiálů, které se stále častěji používají v solárních článcích a dalších aplikacích, vědci se domnívají, že tato technika je použitelná pro různé typy tenkých materiálů. Potenciální přínosy jsou značné. Připravuje cestu pro vývoj elektronických zařízení, která využívají jedinečných vlastností poskytovaných těmito kontrolovanými defekty.
Do studie se zapojili Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Srijit Nair, Matthew Neurok, Turan Birol a Bharat Jalan, všichni z katedry chemického a materiálového inženýrství, a Fengden Liu z katedry elektrotechniky a počítačového inženýrství.
Tento výzkum v podstatě ukazuje, že strategické zavedení nedokonalostí může odemknout zcela nové funkce v nanomateriálech a připravit půdu pro novou éru materiálového designu.
Tento inovativní přístup k vědě o materiálech má potenciál způsobit revoluci v nanotechnologii tím, že nabízí přesnou a všestrannou metodu pro vytváření materiálů s přizpůsobenými vlastnostmi v nanoměřítku.
[:] [:es]
Los científicos de materiales de la Universidad de Minnesota han descubierto un método novedoso para crear y controlar con precisión “defectos” microscópicos dentro de materiales ultrafinos. Estas imperfecciones internas, formalmente conocidas como defectos extendidos, ofrecen un camino prometedor para dotar a los nanomateriales de próxima generación de propiedades sin precedentes, lo que podría generar avances significativos en la nanotecnología.
Comprensión de los defectos extendidos
Los defectos extendidos son alteraciones en la estructura cristalina de un material que se extienden a lo largo de un área relativamente grande, a diferencia de los defectos puntuales que afectan a átomos individuales. Piense en una red cristalina prístina como una cuadrícula de bloques de construcción perfectamente dispuestos; un defecto extendido es como una ruptura deliberada y cuidadosamente colocada en esa red. Lo único de estos defectos es que ocupan un volumen pequeño e influyen significativamente en las propiedades del material circundante.
Lograr un control sin precedentes
La investigación, publicada en Nature Communications, demostró la capacidad de diseñar regiones dentro del material con densidades de estos defectos extendidos hasta 1.000 veces mayores que en áreas sin patrones. Este nivel de control es crucial porque permite a los investigadores adaptar las propiedades de los materiales en zonas específicas.
“Estos defectos extendidos son interesantes porque abarcan todo el material pero ocupan un volumen muy pequeño”, explica Andre Mkhoyan, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. “Al controlar cuidadosamente estas pequeñas características, podemos aprovechar las propiedades tanto del defecto como del material circundante”.
La técnica: creación de defectos estampados
El avance del equipo radica en un nuevo enfoque del diseño de materiales. Descubrieron que al crear pequeños patrones que inducen defectos en la superficie antes de hacer crecer la película delgada, podían controlar con precisión la densidad y el tipo de defectos extendidos.
“Descubrimos una nueva forma de diseñar materiales creando patrones diminutos que inducen defectos en la superficie del sustrato antes de desarrollar una película delgada sobre él”, dijo Supriya Ghosh, estudiante de posgrado en el Laboratorio Mkhoyan y primer autor del artículo.
Esta técnica permite la creación de materiales con propiedades drásticamente diferentes en diferentes secciones. Al concentrar los defectos a lo largo del espesor del material, los investigadores pueden generar nuevas películas en las que los patrones de tamaño nanométrico estén dictados en gran medida por estos defectos. Esto podría conducir a cambios radicales en el comportamiento material.
Implicaciones más amplias y aplicaciones futuras
Si bien el estudio inicial se centró en los óxidos de perovskita (una clase de materiales cada vez más utilizados en células solares y otras aplicaciones), los investigadores creen que este método es adaptable a varios tipos de materiales delgados. Los beneficios potenciales son de gran alcance. Abre un camino hacia el desarrollo de dispositivos electrónicos que aprovechen las propiedades únicas que confieren estos defectos controlados.
El equipo de investigación incluyó a Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol y Bharat Jalan, todos del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, junto con Fengdeng Liu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.
En esencia, esta investigación demuestra que la introducción estratégica de imperfecciones puede desbloquear funcionalidades completamente nuevas en los nanomateriales, allanando el camino para una nueva era en el diseño de materiales.
Este enfoque innovador de la ingeniería de materiales podría revolucionar la nanotecnología al ofrecer un método preciso y versátil para crear materiales con propiedades personalizadas a nanoescala.
[:] [:fr]
Les scientifiques des matériaux de l’Université du Minnesota ont découvert une nouvelle méthode pour créer et contrôler avec précision des « défauts » microscopiques dans des matériaux ultra-fins. Ces imperfections internes, officiellement connues sous le nom de défauts étendus, offrent une voie prometteuse pour doter les nanomatériaux de nouvelle génération de propriétés sans précédent, déclenchant potentiellement des progrès significatifs dans le domaine de la nanotechnologie.
Comprendre les défauts étendus
Les défauts étendus sont des perturbations dans la structure cristalline d’un matériau qui s’étendent sur une zone relativement vaste, contrairement aux défauts ponctuels qui affectent des atomes uniques. Pensez à un réseau cristallin immaculé comme à une grille de blocs de construction parfaitement disposée ; un défaut étendu est comme une rupture délibérée et soigneusement placée dans cette grille. La particularité de ces défauts est qu’ils occupent un petit volume tout en influençant de manière significative les propriétés du matériau environnant.
Obtenir un contrôle sans précédent
La recherche, publiée dans Nature Communications, a démontré la capacité de concevoir des régions du matériau avec des densités de ces défauts étendus jusqu’à 1 000 fois supérieures à celles des zones sans motif. Ce niveau de contrôle est crucial car il permet aux chercheurs d’adapter les propriétés des matériaux dans des zones spécifiques.
“Ces défauts étendus sont passionnants car ils couvrent tout le matériau mais occupent un très petit volume”, explique Andre Mkhoyan, professeur au Département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota et auteur principal de l’étude. “En contrôlant soigneusement ces minuscules caractéristiques, nous pouvons exploiter les propriétés du défaut et du matériau environnant.”
La technique : création de défauts structurés
La percée de l’équipe réside dans une nouvelle approche de la conception matérielle. Ils ont découvert qu’en créant de minuscules motifs induisant des défauts sur la surface avant de faire croître le film mince, ils pouvaient contrôler avec précision la densité et le type de défauts étendus.
“Nous avons trouvé une nouvelle façon de concevoir des matériaux en créant de minuscules motifs induisant des défauts sur la surface du substrat avant de faire pousser un film mince dessus”, a déclaré Supriya Ghosh, étudiante diplômée du laboratoire Mkhoyan et premier auteur de l’article.
Cette technique permet de créer des matériaux aux propriétés radicalement différentes dans différentes sections. En concentrant les défauts sur l’épaisseur du matériau, les chercheurs peuvent générer de nouveaux films dans lesquels les motifs de taille nanométrique sont largement dictés par ces défauts. Cela pourrait conduire à des changements radicaux dans le comportement des matériaux.
Implications plus larges et applications futures
Alors que l’étude initiale s’est concentrée sur les oxydes de pérovskite, une classe de matériaux de plus en plus utilisés dans les cellules solaires et d’autres applications, les chercheurs pensent que cette méthode est adaptable à différents types de matériaux minces. Les avantages potentiels sont considérables. Il ouvre la voie au développement de dispositifs électroniques exploitant les propriétés uniques conférées par ces défauts contrôlés.
L’équipe de recherche comprenait Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Nerock, Turan Birol et Bharat Jalan, tous du Département de génie chimique et de science des matériaux, ainsi que Fengdeng Liu du Département de génie électrique et informatique.
Essentiellement, cette recherche démontre que l’introduction stratégique d’imperfections peut débloquer des fonctionnalités entièrement nouvelles dans les nanomatériaux, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère de conception de matériaux.
Cette approche innovante de l’ingénierie des matériaux pourrait révolutionner la nanotechnologie en offrant une méthode précise et polyvalente pour créer des matériaux aux propriétés adaptées à l’échelle nanométrique.
[:] [:de]
Materialwissenschaftler der University of Minnesota haben eine neuartige Methode entdeckt, um mikroskopische „Fehler“ in ultradünnen Materialien zu erzeugen und präzise zu kontrollieren. Diese internen Unvollkommenheiten, die offiziell als „erweiterte Defekte“ bekannt sind, bieten einen vielversprechenden Weg, um Nanomaterialien der nächsten Generation mit beispiellosen Eigenschaften auszustatten und möglicherweise bedeutende Fortschritte in der Nanotechnologie auszulösen.
Erweiterte Fehler verstehen
Bei ausgedehnten Defekten handelt es sich um Störungen in der Kristallstruktur eines Materials, die sich über eine relativ große Fläche erstrecken – im Gegensatz zu Punktdefekten, die einzelne Atome betreffen. Stellen Sie sich ein makelloses Kristallgitter wie ein perfekt angeordnetes Gitter aus Bausteinen vor; Ein ausgedehnter Defekt ist wie ein absichtlicher, sorgfältig platzierter Bruch in diesem Gitter. Das Besondere an diesen Defekten ist, dass sie ein kleines Volumen einnehmen und gleichzeitig die Eigenschaften des umgebenden Materials erheblich beeinflussen.
Erreichen einer beispiellosen Kontrolle
Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung zeigte die Möglichkeit, Bereiche innerhalb des Materials mit einer bis zu 1.000-mal größeren Dichte dieser ausgedehnten Defekte zu konstruieren als in Bereichen ohne Strukturierung. Dieses Maß an Kontrolle ist von entscheidender Bedeutung, da es Forschern ermöglicht, die Materialeigenschaften in bestimmten Zonen anzupassen.
„Diese ausgedehnten Defekte sind aufregend, weil sie sich über das gesamte Material erstrecken, aber ein sehr kleines Volumen einnehmen“, erklärt Andre Mkhoyan, Professor am Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota und leitender Autor der Studie. „Durch die sorgfältige Kontrolle dieser winzigen Merkmale können wir die Eigenschaften sowohl des Defekts als auch des umgebenden Materials nutzen.“
Die Technik: Musterfehlererzeugung
Der Durchbruch des Teams liegt in einem neuen Ansatz für das Materialdesign. Sie fanden heraus, dass sie durch die Erzeugung winziger, defekterzeugender Muster auf der Oberfläche vor dem Aufwachsen des dünnen Films die Dichte und Art ausgedehnter Defekte präzise steuern konnten.
„Wir haben einen neuen Weg gefunden, Materialien zu entwerfen, indem wir winzige, fehlerverursachende Muster auf der Substratoberfläche erzeugen, bevor wir einen dünnen Film darauf wachsen lassen“, sagte Supriya Ghosh, eine Doktorandin im Mkhoyan Lab und Erstautorin der Arbeit.
Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Materialien mit drastisch unterschiedlichen Eigenschaften in verschiedenen Abschnitten. Durch die Konzentration von Defekten entlang der Materialdicke können Forscher neue Filme erzeugen, bei denen nanometergroße Muster weitgehend durch diese Defekte bestimmt werden. Dies könnte zu radikalen Veränderungen im Materialverhalten führen.
Umfassendere Implikationen und zukünftige Anwendungen
Während sich die ursprüngliche Studie auf Perowskitoxide konzentrierte – eine Materialklasse, die zunehmend in Solarzellen und anderen Anwendungen verwendet wird – glauben die Forscher, dass diese Methode auf verschiedene Arten dünner Materialien anwendbar ist. Die potenziellen Vorteile sind weitreichend. Es eröffnet einen Weg zur Entwicklung elektronischer Geräte, die sich die einzigartigen Eigenschaften dieser kontrollierten Defekte zunutze machen.
Zum Forschungsteam gehörten Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol und Bharat Jalan, alle vom Fachbereich Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften, sowie Fengdeng Liu vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik.
Im Wesentlichen zeigt diese Forschung, dass die strategische Einführung von Unvollkommenheiten völlig neue Funktionalitäten in Nanomaterialien freisetzen und den Weg für eine neue Ära des Materialdesigns ebnen kann.
Dieser innovative Ansatz der Materialtechnik könnte die Nanotechnologie revolutionieren, indem er eine präzise und vielseitige Methode zur Herstellung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften auf der Nanoskala bietet
[:] [:pt]
Cientistas de materiais da Universidade de Minnesota descobriram um novo método para criar e controlar com precisão “falhas” microscópicas em materiais ultrafinos. Estas imperfeições internas, formalmente conhecidas como defeitos estendidos, oferecem um caminho promissor para dotar os nanomateriais da próxima geração com propriedades sem precedentes, potencialmente desencadeando avanços significativos na nanotecnologia.
Compreendendo defeitos estendidos
Defeitos estendidos são rupturas na estrutura cristalina de um material que se estendem por uma área relativamente grande – ao contrário dos defeitos pontuais que afetam átomos únicos. Pense em uma estrutura de cristal imaculada como uma grade de blocos de construção perfeitamente organizada; um defeito prolongado é como uma quebra deliberada e cuidadosamente colocada nessa grade. O aspecto único destes defeitos é que eles ocupam um pequeno volume enquanto influenciam significativamente as propriedades do material circundante.
Alcançando um controle sem precedentes
A pesquisa, publicada na Nature Communications, demonstrou a capacidade de projetar regiões dentro do material com densidades desses defeitos estendidos até 1.000 vezes maiores do que em áreas sem padronização. Este nível de controle é crucial porque permite aos pesquisadores adaptar as propriedades dos materiais em zonas específicas.
“Esses defeitos estendidos são interessantes porque abrangem todo o material, mas ocupam um volume muito pequeno”, explica Andre Mkhoyan, professor do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota e autor sênior do estudo. “Ao controlar cuidadosamente essas pequenas características, podemos aproveitar as propriedades do defeito e do material circundante.”
A Técnica: Criação de Defeitos Padronizados
O avanço da equipe reside em uma nova abordagem ao design de materiais. Eles descobriram que, ao criar pequenos padrões indutores de defeitos na superfície antes do crescimento do filme fino, eles poderiam controlar com precisão a densidade e o tipo de defeitos estendidos.
“Descobrimos uma nova maneira de projetar materiais, criando padrões minúsculos e indutores de defeitos na superfície do substrato antes de desenvolver uma película fina sobre ele”, disse Supriya Ghosh, estudante de graduação no Laboratório Mkhoyan e primeira autora do artigo.
Esta técnica permite a criação de materiais com propriedades drasticamente diferentes em diferentes seções. Ao concentrar os defeitos ao longo da espessura do material, os pesquisadores podem gerar novos filmes onde os padrões de tamanho nanométrico são amplamente ditados por esses defeitos. Isso poderia levar a mudanças radicais no comportamento material.
Implicações mais amplas e aplicações futuras
Embora o estudo inicial tenha se concentrado em óxidos de perovskita – uma classe de materiais cada vez mais usada em células solares e outras aplicações – os pesquisadores acreditam que este método é adaptável a vários tipos de materiais finos. Os benefícios potenciais são de longo alcance. Abre um caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que aproveitam as propriedades únicas conferidas por esses defeitos controlados.
A equipe de pesquisa incluiu Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Nerock, Turan Birol e Bharat Jalan, todos do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais, juntamente com Fengdeng Liu do Departamento de Elétrica e Engenharia de Computação.
Em essência, esta pesquisa demonstra que a introdução estratégica de imperfeições pode desbloquear funcionalidades inteiramente novas em nanomateriais, abrindo caminho para uma nova era no design de materiais.
Esta abordagem inovadora à engenharia de materiais poderá revolucionar a nanotecnologia, oferecendo um método preciso e versátil para a criação de materiais com propriedades personalizadas à nanoescala.
[:] [:it]
Gli scienziati dei materiali dell’Università del Minnesota hanno scoperto un nuovo metodo per creare e controllare con precisione i “difetti” microscopici all’interno dei materiali ultrasottili. Queste imperfezioni interne, formalmente note come difetti estesi, offrono un percorso promettente per dotare i nanomateriali di prossima generazione di proprietà senza precedenti, innescando potenzialmente progressi significativi nella nanotecnologia.
Comprendere i difetti estesi
I difetti estesi sono interruzioni nella struttura cristallina di un materiale che si estendono su un’area relativamente ampia, a differenza dei difetti puntuali che colpiscono i singoli atomi. Pensa a un reticolo cristallino incontaminato come a una griglia di elementi costitutivi perfettamente disposti; un difetto esteso è come un’interruzione deliberata e posizionata con cura in quella griglia. L’aspetto unico di questi difetti è che occupano un piccolo volume influenzando in modo significativo le proprietà del materiale circostante.
Ottenere un controllo senza precedenti
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, ha dimostrato la capacità di progettare regioni all’interno del materiale con densità di questi difetti estesi fino a 1.000 volte maggiori rispetto alle aree senza pattern. Questo livello di controllo è fondamentale perché consente ai ricercatori di personalizzare le proprietà dei materiali in zone specifiche.
“Questi difetti estesi sono interessanti perché si estendono su tutto il materiale ma occupano un volume molto piccolo”, spiega Andre Mkhoyan, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell’Università del Minnesota e autore senior dello studio. “Controllando attentamente queste minuscole caratteristiche, possiamo sfruttare le proprietà sia del difetto che del materiale circostante.”
La tecnica: creazione di difetti modellati
La svolta del team risiede in un nuovo approccio alla progettazione dei materiali. Hanno scoperto che creando minuscoli modelli che inducevano difetti sulla superficie prima della crescita del film sottile, potevano controllare con precisione la densità e il tipo di difetti estesi.
“Abbiamo escogitato un nuovo modo di progettare i materiali creando minuscoli motivi che inducono difetti sulla superficie del substrato prima di farvi crescere sopra una pellicola sottile”, ha affermato Supriya Ghosh, uno studente laureato del Mkhoyan Lab e primo autore dell’articolo.
Questa tecnica consente la creazione di materiali con proprietà drasticamente diverse in diverse sezioni. Concentrando i difetti lungo lo spessore del materiale, i ricercatori possono generare nuove pellicole in cui i modelli di dimensioni nanometriche sono in gran parte dettati da questi difetti. Ciò potrebbe portare a cambiamenti radicali nel comportamento dei materiali.
Implicazioni più ampie e applicazioni future
Mentre lo studio iniziale si concentrava sugli ossidi di perovskite – una classe di materiali sempre più utilizzati nelle celle solari e in altre applicazioni – i ricercatori ritengono che questo metodo sia adattabile a vari tipi di materiali sottili. I potenziali benefici sono di vasta portata. Apre la strada verso lo sviluppo di dispositivi elettronici che sfruttano le proprietà uniche conferite da questi difetti controllati.
Il gruppo di ricerca comprendeva Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol e Bharat Jalan, tutti del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali, insieme a Fengdeng Liu del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica.
In sostanza, questa ricerca dimostra che l’introduzione strategica di imperfezioni può sbloccare funzionalità completamente nuove nei nanomateriali, aprendo la strada a una nuova era nella progettazione dei materiali.
Questo approccio innovativo all’ingegneria dei materiali potrebbe rivoluzionare la nanotecnologia offrendo un metodo preciso e versatile per creare materiali con proprietà personalizzate su scala nanometrica
[:] [:nl]
Materiaalwetenschappers van de Universiteit van Minnesota hebben een nieuwe methode ontdekt om microscopische ‘fouten’ in ultradunne materialen te creëren en nauwkeurig te controleren. Deze interne onvolkomenheden, formeel bekend als extended defects, bieden een veelbelovende route om nanomaterialen van de volgende generatie te voorzien van ongekende eigenschappen, wat mogelijk tot aanzienlijke vooruitgang in de nanotechnologie kan leiden.
Uitgebreide defecten begrijpen
Uitgebreide defecten zijn verstoringen in de kristalstructuur van een materiaal die zich over een relatief groot gebied uitstrekken – in tegenstelling tot puntdefecten die afzonderlijke atomen beïnvloeden. Denk aan een ongerept kristalrooster als een perfect gerangschikt raster van bouwstenen; een langdurig defect is als een opzettelijke, zorgvuldig geplaatste breuk in dat raster. Het unieke aan deze defecten is dat ze een klein volume innemen, terwijl ze de eigenschappen van het omringende materiaal aanzienlijk beïnvloeden.
Ongekende controle bereiken
Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, toonde het vermogen aan om gebieden in het materiaal te ontwikkelen met een dichtheid van deze uitgebreide defecten die tot 1000 maal groter is dan in gebieden zonder patroonvorming. Dit niveau van controle is cruciaal omdat het onderzoekers in staat stelt de eigenschappen van materialen in specifieke zones aan te passen.
“Deze uitgebreide defecten zijn opwindend omdat ze het hele materiaal bestrijken, maar een heel klein volume beslaan”, legt Andre Mkhoyan uit, een professor aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota en senior auteur van het onderzoek. “Door deze kleine kenmerken zorgvuldig te controleren, kunnen we de eigenschappen van zowel het defect als het omringende materiaal benutten.”
De techniek: het creëren van defecten in patronen
De doorbraak van het team ligt in een nieuwe benadering van materiaalontwerp. Ze ontdekten dat ze, door kleine, defect-inducerende patronen op het oppervlak te creëren voordat de dunne film groeide, de dichtheid en het type uitgebreide defecten nauwkeurig konden controleren.
“We hebben een nieuwe manier bedacht om materialen te ontwerpen door kleine, defect-inducerende patronen op het substraatoppervlak te maken voordat er een dunne film op groeit”, zegt Supriya Ghosh, een afgestudeerde student in het Mkhoyan Lab en eerste auteur van het papier.
Deze techniek maakt het mogelijk materialen te creëren met drastisch verschillende eigenschappen in verschillende secties. Door defecten langs de dikte van het materiaal te concentreren, kunnen onderzoekers nieuwe films genereren waarin patronen op nanometergrootte grotendeels door deze defecten worden bepaald. Dit zou kunnen leiden tot radicale veranderingen in het materiële gedrag.
Bredere implicaties en toekomstige toepassingen
Hoewel het eerste onderzoek zich richtte op perovskietoxiden – een klasse materialen die steeds vaker worden gebruikt in zonnecellen en andere toepassingen – denken de onderzoekers dat deze methode kan worden aangepast aan verschillende soorten dunne materialen. De potentiële voordelen zijn verreikend. Het opent een weg naar de ontwikkeling van elektronische apparaten die de unieke eigenschappen van deze gecontroleerde defecten benutten.
Het onderzoeksteam bestond uit Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol en Bharat Jalan, allemaal van de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen, samen met Fengdeng Liu van de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek.
In wezen toont dit onderzoek aan dat het strategisch introduceren van imperfecties geheel nieuwe functionaliteiten in nanomaterialen kan ontsluiten, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een nieuw tijdperk van materiaalontwerp.
Deze innovatieve benadering van materiaaltechnologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de nanotechnologie door een nauwkeurige en veelzijdige methode aan te bieden voor het creëren van materialen met op maat gemaakte eigenschappen op nanoschaal
[:] [:id]
Ilmuwan material di Universitas Minnesota telah menemukan metode baru untuk menciptakan dan mengontrol “kekurangan” mikroskopis secara tepat pada material ultra-tipis. Ketidaksempurnaan internal ini, yang secara formal dikenal sebagai cacat yang diperluas, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk memberikan bahan nano generasi mendatang sifat yang belum pernah ada sebelumnya, sehingga berpotensi memicu kemajuan signifikan dalam nanoteknologi.
Memahami Cacat yang Diperpanjang
Cacat yang diperluas adalah gangguan pada struktur kristal suatu material yang meluas ke area yang relatif luas – tidak seperti cacat titik yang mempengaruhi atom tunggal. Bayangkan kisi kristal murni seperti kisi-kisi blok bangunan yang tersusun sempurna; cacat yang berkepanjangan seperti kerusakan yang disengaja dan ditempatkan dengan hati-hati pada kisi-kisi itu. Aspek unik dari cacat ini adalah bahwa cacat tersebut menempati volume yang kecil namun mempengaruhi sifat material di sekitarnya secara signifikan.
Mencapai Kendali yang Belum Pernah Ada Sebelumnya
Penelitian yang dipublikasikan di Nature Communications ini menunjukkan kemampuan untuk merekayasa wilayah dalam material dengan kepadatan cacat yang diperluas hingga 1.000 kali lebih besar dibandingkan wilayah tanpa pola. Tingkat kendali ini sangat penting karena memungkinkan peneliti menyesuaikan sifat material di zona tertentu.
“Cacat yang meluas ini menarik karena mencakup keseluruhan material namun menempati volume yang sangat kecil,” jelas Andre Mkhoyan, seorang profesor di Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material Universitas Minnesota dan penulis senior studi tersebut. “Dengan mengontrol fitur-fitur kecil ini secara hati-hati, kita dapat memanfaatkan sifat-sifat cacat dan material di sekitarnya.”
Teknik: Penciptaan Cacat Berpola
Terobosan tim ini terletak pada pendekatan baru terhadap desain material. Mereka menemukan bahwa dengan menciptakan pola-pola kecil yang menyebabkan cacat pada permukaan sebelum menumbuhkan lapisan tipis, mereka dapat secara tepat mengontrol kepadatan dan jenis cacat yang meluas.
“Kami menemukan cara baru untuk mendesain material dengan membuat pola kecil yang menyebabkan cacat pada permukaan substrat sebelum membuat lapisan tipis di atasnya,” kata Supriya Ghosh, mahasiswa pascasarjana di Mkhoyan Lab dan penulis pertama makalah tersebut.
Teknik ini memungkinkan terciptanya material dengan sifat yang sangat berbeda di bagian yang berbeda. Dengan memusatkan cacat sepanjang ketebalan material, peneliti dapat menghasilkan film baru dimana pola berukuran nanometer sebagian besar ditentukan oleh cacat tersebut. Hal ini dapat menyebabkan perubahan radikal dalam perilaku material.
Implikasi yang Lebih Luas dan Penerapannya di Masa Depan
Meskipun studi awal berfokus pada oksida perovskit—kelas bahan yang semakin banyak digunakan dalam sel surya dan aplikasi lainnya—para peneliti yakin metode ini dapat beradaptasi dengan berbagai jenis bahan tipis. Potensi manfaatnya sangat luas. Hal ini membuka jalan menuju pengembangan perangkat elektronik yang memanfaatkan sifat unik yang dihasilkan oleh cacat yang terkendali ini.
Tim peneliti tersebut antara lain Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol, dan Bharat Jalan, semuanya dari Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material, serta Fengdeng Liu dari Departemen Teknik Elektro dan Komputer.
Intinya, penelitian ini menunjukkan bahwa memperkenalkan ketidaksempurnaan secara strategis dapat membuka fungsionalitas baru dalam material nano, sehingga membuka jalan bagi era baru dalam desain material.
Pendekatan inovatif terhadap rekayasa material ini dapat merevolusi nanoteknologi dengan menawarkan metode yang tepat dan serbaguna untuk menciptakan material dengan sifat yang disesuaikan pada skala nano.
[:]
