由太平洋西北国家实验室的Karyn Hede拍摄
这里看到的超高真空低温扫描探针显微镜将于2022年转移到位于能源科学中心的新的高性能仪器实验室
信用:安德里亚·斯塔尔|太平洋西北国家实验室 他们说一幅画胜过千言万语
但只有当它不模糊，不模糊，或者主体的头部没有超出框架时，这才是正确的
这种史诗般的失败甚至折磨着有经验的摄影师
经验丰富的科学家从精密仪器获取图像也是如此
利博尔·科瓦里克是太平洋西北国家实验室(PNNL)的材料科学家和多产发明家
但是，当磁场、振动或温度波动导致图像失真时，即使他也尝到了失败的滋味
科瓦里克和他的同事们正试图在另一个设施中捕捉铝合金的图像，这时一个杂散磁场扭曲了它们
他说:“如果电线和开关没有用特殊的方式布线和屏蔽，就会产生背景磁场。”
从事精密仪器工作的科学家知道，电源线和电缆、空气处理装置的振动以及其他因素会导致史诗般的成像故障
挑战在于从实验室中消除这些基本元素的影响
这就是为什么PNNL的科学家和工程师与该建筑的建筑师合作，在新能源科学中心内设计了一个空间，以防止这些入侵
新的高性能仪器实验室提供了四个隔离单元，通过独立的减振基础和一个嵌入式无振动桌子来容纳精密仪器，包括一些世界上对振动最敏感的电子显微镜，从而双重保护不受任何外部振动的影响
电源线和电子电缆安装在与仪器隔离的密封室内，每个室内的温度变化小于0
仪器使用时为1摄氏度
这些科学家不只是追求漂亮的照片
他们正在开发新材料，努力提高化学转化的效率，有朝一日，化学转化将为我们的家庭和企业提供可再生能源
对这些科学家来说，风险很高
当你试图看到每个原子在实验室创造的新材料中的位置时，振动、温度波动和杂散电磁射线是敌人
有时候一个原子比许多原子好 近年来，科学家们发现，支撑在表面上的单个原子的某些排列，就像纸杯蛋糕上的樱桃，使它们变得特别
这些独特的材料赋予有用的特性
例如，一些单原子催化剂显示出在室温下以目前不可能的低得多的成本促进生物质和废碳转化的前景
这些单原子催化剂是密集研究的主题，以找出如何使它们在长时间内大规模运行
这些研究需要研究它们，给它们拍原子尺度的“照片”，并把它们的结构和它们的活动联系起来
研究催化剂详细结构和功能的PNNL化学家兹德内克·多尼亚莱克说:“我们正在寻找具有高密度位点的金属氧化物载体，这些位点与催化活性金属原子发生强烈的相互作用。”
“这类催化剂在将生物质转化为燃料和商品化学品方面广受欢迎
我们正在观察它们如何在表面上随着温度和时间的变化而演化、移动和转变
" 回答这些基本的科学问题只是在最近几年才成为可能
它需要精密成像、新的采样和处理技术的融合，就像那些导致科瓦瑞克最近发明了费特显微术的技术，以及能够有效解释实验者所看到的东西的数学方法的出现
左侧铝合金的透射电子显微镜图像因磁场效应的侵入而失真
一旦磁场被移除，右边显示了达到的原子级清晰度
信用:利博尔·科瓦里克|太平洋西北国家实验室 正是这些部分——精确设计的材料、精确的成像和分析以及精确的数学解释——将能源科学中心的研究线索联系在一起
从寻找新的方法将塑料垃圾转化为有用的产品，到检测纳米级的结构，在这个设施中完成的研究将依赖于在高性能仪器实验室中创建的清晰图像
为安静的工作腾出空间 这个大约3000平方英尺的空间是世界上少数几个将配备Themis Z和Spectra Thermo-Fisher 30-300千伏透射电子显微镜的空间之一
每个人都将坐在一个特殊建造的9英尺乘9英尺的减振台上，周围是18英尺乘22英尺的隔离空间
每个室内的温度和湿度是恒定的，并控制在0
1摄氏度
科瓦里克说:“与旧型号相比，这些仪器可以以加速电压的一小部分获取原子级图像。”
“这一点很重要，因为对图像进行采样的电子可能非常具有破坏性，甚至会破坏一些样本
当我们将所需的较低能量与允许我们将更少的样本暴露于电子的采样技术相结合时，我们就扩展了可以成功成像的材料种类
" 支持量子计算的材料的精确成像 全球的研究团队正在探索新材料如何通过量子计算来传输信息
PNNL博士后科学家普雷斯科特·埃文斯正与多尼亚莱克合作，回答一些关于材料量子特性的最紧迫的问题
它们是如何形成的？他们会工作多久？是什么导致他们崩溃和失败？ 在量子计算应用中，诸如碲化钨之类的二维量子材料上的钯之类的外来金属的电子特性正在被深入研究，但是令人惊讶的是，当量子信息在这些材料的表面上传播时，它们的相互作用如何影响量子信息却知之甚少
PNNL研究小组正在使用精密扫描隧道显微镜来探索金属的表面、形状以及任何材料的不规则性或缺陷如何影响其性能，比如作为拓扑绝缘体的能力
埃文斯说:“我们正在研究原子是如何组装的，以及这如何影响它们的功能。”
“知之甚少
" 这项工作也依赖于精确设计的材料、精确的成像和分析以及精确的数学来解释它
“能够看到原子是如何沉积在表面上的，以及它们是如何随时间变化的，这将为量子特性提供新的见解，”多尼亚莱克说
看到没人见过的东西
这是一门探索科学，为21世纪的国家能源需求提供燃料
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