作者丹尼斯·派斯特，麻省理工学院 麻省理工学院教授弗朗西斯·罗斯设计了几个定制的样品架，用于在电子显微镜下检查气体和液体介质中的纳米级材料
对于液体环境，氮化硅薄窗口包围液体，但允许电子束通过
对于气体环境，样品架(此处显示)必须在不影响其清洁度的情况下加热和倾斜样品
学分:丹尼斯·派斯特/材料研究实验室 一百年前，“2d”的意思是一枚两便士或1英寸的钉子
今天，“二维”包含了广泛的原子级薄平面材料，其中许多具有奇异的性质，这在相同材料的整体等价物中是找不到的，石墨烯——碳的单原子厚形式——可能是最突出的
当麻省理工学院和其他地方的许多研究人员正在探索二维材料及其特殊性质时
艾伦·斯维特·理查兹材料科学与工程教授罗斯对这些二维材料和普通三维材料结合在一起会发生什么感兴趣
罗斯说:“我们对二维材料和三维材料之间的界面感兴趣，因为你想在应用程序中使用的每一种二维材料，比如电子设备，都必须与外部世界进行三维对话。”
“我们正处于一个有趣的时期，因为电子显微镜仪器有了巨大的发展，人们对具有非常精确控制的结构和性质的材料有了极大的兴趣，这两件事以一种迷人的方式交叉在一起，”罗斯说
“这些机会非常令人兴奋，”罗斯说
“我们将真正提高麻省理工学院的人物塑造能力
罗斯专门研究纳米材料在气体和液体介质中是如何生长和反应的，他用电子显微镜记录电影
液体中反应的显微术对于理解控制催化剂、电池、燃料电池和其他重要技术性能的电化学反应机理特别有用
“在液相显微镜的情况下，你也可以观察物质溶解的腐蚀，而在气体中，你可以观察单个晶体是如何生长的，或者材料是如何与氧气反应的，”她说
罗斯去年加入了材料科学与工程系(DMSE)，从国际商用机器公司的纳米材料分析部门离职
沃森研究中心
“我从我的国际商用机器公司同事那里学到了很多东西，并希望将我们在材料设计和增长方面的研究扩展到新的方向，”她说
当金沉积在“脏的”石墨烯(左)上时，杂质周围会聚集大量的金
但是当金生长在经过加热和清除杂质的石墨烯上时(右)，它就形成了完美的三角形金
学分:凯特·雷迪/麻省理工学院 录制电影 在最近一次参观她的实验室时，罗斯解释了一个由国际商用机器公司捐赠给麻省理工学院的实验装置
超高真空蒸发器系统最先出现，后来被直接安装到一个特别设计的透射电子显微镜上
“这提供了强大的可能性，”罗斯解释道
“我们可以把样品放在真空中，清洗它，对它做各种各样的事情，比如加热和添加其他材料，然后在真空下把它转移到显微镜中，在那里我们可以在记录图像的同时做更多的实验
例如，我们可以沉积硅或锗，或者蒸发金属，而样品在显微镜下，电子束穿过它，我们正在记录这个过程的电影
" 在等待今年春天透射电子显微镜建立的时候，罗斯的七人研究小组的成员，包括材料科学与工程博士后谭淑芬和研究生凯特·雷迪，制作并研究了各种自组装结构
蒸发器系统暂时安置在麻省理工学院的第五层原型空间
当罗斯的实验室在13号楼准备就绪时
“麻省理工
nano拥有资源和空间；麻省理工学院的安娜·奥谢洛夫说:“我们很高兴能帮上忙
nano用户服务助理总监
“我们所有人都对材料科学的这一重大挑战感兴趣，即:“如何制造出具有您想要的特性的材料，特别是如何使用纳米级尺寸来调整特性，并创造出您无法从散装材料中获得的新特性？”“罗斯说
利用超高真空系统，研究生凯特·雷迪在几种二维材料上形成了金和铌的结构
“黄金喜欢长成小三角形，”罗斯指出
“我们一直在和物理学和材料科学的人讨论，在控制结构和部件之间的界面方面，哪种材料组合对他们来说是最重要的，以便改善材料的性能，”她指出
谭淑芬合成了镍-铂纳米粒子，并使用另一种技术，液体细胞电子显微镜检查它们
她只能安排镍溶解，留下尖锐的铂骨架
“在液体细胞内，我们能够以高时空分辨率看到整个过程，”谭说
她解释说，铂是一种贵金属，活性比镍低，所以在适当的条件下，镍参与电化学溶解反应，铂被留下
弗朗西斯·罗斯教授(左)、研究生凯特·雷迪(中)和博士后谭淑芬一起在高真空蒸发器室工作，该室是由国际商用机器公司捐赠给麻省理工学院的电子显微镜套件的一部分
学分:丹尼斯·派斯特/材料研究实验室 谭指出，铂在有机化学和燃料电池材料中是一种众所周知的催化剂，但它也很昂贵，因此寻找与镍等较便宜材料的组合是可取的
罗斯说:“这是一个利用液体细胞技术在电子显微镜中成像的材料反应范围的例子。”
“你可以种植材料；你可以把它们蚀刻掉；例如，你可以看看气泡的形成和流体运动
" 这项技术的一个特别重要的应用是研究电池材料的循环
“显然，我不能在这里放一个AA电池，但是你可以在这个非常小的液体电池里设置重要的材料，然后你可以来回循环它，问，如果我给它充放电10次，会发生什么？它不如以前那么好用了——怎么会失败呢？”罗斯问道
“在液体电池中可以观察到某种故障分析以及充电和放电的所有中间阶段
" “显微镜实验让你看到反应的每一步，这让你有更好的机会了解发生了什么，”罗斯说
莫尔图案 研究生雷迪对如何控制金在二维材料如石墨烯、二硒钨和二硫化钼上的生长感兴趣
当她在“脏”的石墨烯上沉积金时，杂质周围聚集了大量的金
但是，当雷迪在经过加热和清除杂质的石墨烯上生长黄金时，她发现了完美的三角形黄金
在干净石墨烯的顶部和底部都沉积了金，雷迪在显微镜中看到了被称为云纹图案的特征，这是由于重叠的晶体结构不对齐造成的
沉积在石墨烯上的铌产生的结构看起来像冬天窗户内部形成的霜状图案，或者一些蕨类植物的羽状图案
它们被称为树枝状结构
学分:凯特·雷迪/麻省理工学院 金三角可用作光子和等离子体结构
雷迪说:“我们认为这对很多应用来说都很重要，看到会发生什么对我们来说总是很有趣。”
她计划扩展她的清洁生长方法，在具有不同旋转角度和其他混合层结构的二维堆叠材料上形成三维金属晶体
雷迪对石墨烯和六方氮化硼以及两种二维单层半导体材料二硫化钼和二硒化钨的特性感兴趣
“二维材料界非常有趣的一个方面是二维材料和三维金属之间的接触，”雷迪说
“如果他们想制造半导体器件或石墨烯器件，石墨烯外壳的接触可以是欧姆接触，半导体外壳的接触可以是肖特基接触，这些材料之间的界面非常非常重要
" 罗斯补充说:“你也可以想象出用石墨烯作为两种其他材料之间的间隔层的装置。”
雷迪说，对于器件制造商来说，有时让三维材料的原子排列与下面二维层的原子排列完全对齐是很重要的
这被称为外延生长
雷迪描述了金和银一起生长在石墨烯上的图像，他解释说:“我们发现银不是外延生长的，它不能在石墨烯上制造我们想要制造的完美单晶，但是通过首先沉积金，然后在它周围沉积银，我们几乎可以迫使银进入外延形状，因为它想符合它的金邻居正在做的事情
" 雷迪指出，电子显微镜图像也可以显示晶体中的缺陷，如波纹或弯曲
“电子显微镜的一大优点是它对原子排列的变化非常敏感，”罗斯说
“你可以有一个完美的晶体，它看起来都是一样的灰色，但是如果你在结构上有一个局部的变化，即使是一个细微的变化，电子显微镜也能捕捉到
即使这种变化只发生在原子的最顶层，而不影响下面的其他物质，这张图片也会显示出独特的特征，让我们能够了解到底发生了什么
" 雷迪还在探索将铌(一种低温超导金属)与二维拓扑绝缘体碲化铋结合的可能性
拓扑绝缘体具有迷人的特性，这一发现获得了2016年诺贝尔物理学奖
“如果你在碲化铋上沉积铌，有一个非常好的界面，你就可以制造超导结
我们一直在研究铌的沉积，我们看到的不是三角形，而是更像树枝状的结构，”雷迪说
树枝状结构看起来像冬天窗户内部形成的霜状图案，或者一些蕨类植物的羽状图案
在铌的沉积过程中改变温度和其他条件可以改变材料的图案
所有的研究人员都渴望新的电子显微镜能到达麻省理工学院
纳米技术为这些材料的行为提供了更深入的见解
“明年将会发生很多事情，事情已经在加速发展，我有很好的合作伙伴
麻省理工学院正在安装一种新的显微镜
nano和另一款将于明年上市
整个社区将在这里看到改进显微镜表征能力的好处，”罗斯说
沉积在石墨烯顶部的铌的电子衍射图像显示，铌的某些晶面与石墨烯的晶面对齐，这被称为外延生长
当三维材料生长在二维层上时，这种完美排列的原子排列对器件制造商来说通常很重要
学分:凯特·雷迪/麻省理工学院 麻省理工学院(Massachu-setts Institute of Technology)
nano的奥谢洛夫指出，两台低温透射电子显微镜已经安装并运行
“我们的目标是建立一个独特的以显微镜为中心的社区
她说:“我们鼓励并希望促进主要专注于生物应用和‘软’材料的低温电磁研究人员以及校园内其他研究团体之间的交叉授粉。”
约翰·奇普曼材料科学与工程副教授詹姆斯·M .引进了具有增强分析能力的扫描透射电子显微镜(超高能量分辨率单色仪、四维STEM探测器、超x光能谱探测器、断层扫描和几个原位固定器)
LeBeau一旦安装，将大大增强麻省理工学院校园的显微镜能力
“我们认为罗斯教授是一个巨大的资源，他建议我们如何使用先进的仪器来形成原位测量方法，这些仪器将被麻省理工学院内外的所有研究人员共享和使用，”奥谢洛夫说
小吸管 罗斯说:“有时候你或多或少知道在成长实验中你会看到什么，但通常有些东西是你没有预料到的。”
她展示了一个使用锗催化剂生长氧化锌纳米线的例子
一些长晶体的中心有一个洞，形成了像小吸管一样的结构，外部是圆形的，但内部是六角形的
“这是氧化锌的单晶，我们感兴趣的问题是，为什么实验条件在内部创造了这些小面，而外部却是光滑的？”罗斯问道
“金属氧化物纳米结构有许多不同的应用，每一种新结构都可以表现出不同的性质
特别是，通过纳米尺度，你可以获得不同的属性
" 罗斯说:“最终，我们希望开发出用金属氧化物生长轮廓分明的结构的技术，特别是如果我们能够控制结构上每个位置的成分的话。”
这种方法的一个关键是自组装，在这种方法中，材料自己构建成您想要的结构，而不必单独调整每个组件
“自组装对某些材料非常有效，但问题是总有一些不确定性，一些随机性或波动性
对你得到的确切结构的控制很差
罗斯说:“所以我们的想法是，试着充分理解自组装，以便能够控制它，获得你想要的特性。”
“我们必须了解原子如何到达它们所在的位置，然后利用原子的自组装能力来制造我们想要的结构
罗斯解释说:“了解事物如何自我组装的方法是看它们如何组装，这需要高空间分辨率和高时间分辨率的电影。”
电子显微镜可以用来获取结构和成分信息，甚至可以测量应变场或电场和磁场
“想象一下记录下所有这些事情，但是在一部电影中，你也在控制显微镜下的材料生长
一旦你拍了一部正在发生的事情的电影，你就要分析成长过程的所有步骤，并利用这些步骤来理解哪些物理原理是决定结构如何形成、演化并以这样的方式结束的关键原理
" 二硫化钼二硫化钼上金纳米岛的清洁沉积
学分:凯特·雷迪/麻省理工学院 未来方向 罗斯希望引入一种独特的高分辨率、高真空透射电子显微镜，能够对材料生长和其他动态过程进行成像
她打算为水基和气基环境开发新的能力
这款定制显微镜仍处于规划阶段，但将位于麻省理工学院成像套房的一个房间里
NANOTECHNOLOGY简称
“罗斯教授是这个领域的先驱，”奥谢洛夫说
到目前为止，大多数专业英语学习都是静态的，而不是动态的
通过静态测量，你在一个特定的时间点观察到一个样本，所以你不能获得任何关于它是如何形成的信息
使用动态测量，你可以观察原子从一个状态跳到另一个状态，直到它们找到最终位置
实时观察自组装过程和生长的能力提供了有价值的机械见解
我们期待将这些先进的能力带到麻省理工学院
NANOTECHNOLOGY简称
”她说
“一旦某项技术被传播给公众，它就会引起关注，”奥谢洛夫说
“当结果公布时，研究人员基于现有的最先进的能力扩展了他们对实验设计的视野，导致许多新的实验将专注于动态应用
" 麻省理工学院的房间
纳米是麻省理工学院校园中最安静的空间，旨在尽可能降低振动和电磁干扰
“罗斯教授有空间继续她的研究，并进一步发展它，”奥谢洛夫说
“原位监测物质和界面形成的能力将在整个校园的多个领域得到应用，并进一步推动传统电子显微镜的极限
"
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