脉冲电子束揭示了塑料生产

塑料在我们身边 - 它们组成我们的水瓶，垃圾袋，包装材料，玩具，容器等。全世界每年生产约3亿吨塑料，但塑料生产过程中原子尺度的细节尚不清楚。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员与陶氏和荷兰埃因霍温科技大学合作开发的一项新技术，正在提供关于氯化镁的原子分辨率细节，氯化镁是一种参与生产的材料。最常见的塑料，聚乙烯 - 可以帮助创造可持续塑料的道路。他们的研究结果在Advanced Functional Materials中有报道。

研究人员用脉冲电子束在电子显微镜，以产生的首个，其实物图片镁 氯化物。连续的电子束迅速损坏了这种微妙的光束敏感材料，但这种新技术使研究人员能够毫无伤害地研究它。

“如果你在10年前问过我是否可以用脉冲电子束对原子分辨率的光束敏感材料进行成像，我就不会相信它了，”该研究的主要作者，伯克利实验室分子科学家的科学家科学家Christian Kisielowski说。 Foundry，纳米级科学用户设施。“现在它是可能的，它使我们能够研究塑料行业的重要材料。”

Kisielowski补充说，这是一种改变游戏规则的方法，用于对电子显微镜内通常受损的各种材料进行成像。除了氯化镁之外，例如，脉冲电子束也可用于研究软膜和塑料。

虽然氯化镁被广泛用作制造塑料的催化剂(加速反应的材料)的支撑结构，但其工作的确切方式仍然是个谜。氯化镁的原子级图像将有助于阐明其在塑料生产中的作用，并有助于为更专业和可持续的塑料铺平道路。

不幸的是，先前对这种关键材料成像的尝试是困难的，因为氯化镁可以存在于具有略微不同的原子排列的两种类型的晶体结构中。“电子束本身会影响材料结构，因此难以解释哪种结构正在被成像，”Kisielowski说。“通过与我们的合作者合作，我们能够梳理出不同的互动。”

伯克利实验室团队与埃因霍温科技大学和陶氏合作开发了一种技术，可以提供周期性的电子脉冲，而不是连续的电子束来对氯化镁进行成像。在埃因霍温使用改进的电子显微镜，研究人员发现，通过脉冲电子束像一个极快的频闪光，每160皮秒一个脉冲(1皮秒是万亿分之一秒)，材料可以在脉冲之间基本上“自愈” 。

众所周知，当原子被撞出位置或分子分裂成较小的颗粒时，样品会在电子显微镜中受损。通过这项研究，研究人员了解到电子束引起的原子振动的积累同样重要。通过这些振动及时脉冲光束，研究人员保留了材料的原始原子结构，并发现氯化镁片层叠在一起，形成一个不规则的排列，就像随意堆叠的书籍，这与其他材料不同。

其他研究人员在对氯化镁进行成像时遇到的另一个问题是，当材料暴露在空气中时，它会改变化学成分和晶体结构(原子在空间中的排列方式)。但是当使用传统的电子显微镜技术时，样品在转移到显微镜时暴露在空气中。

Kisielowski指出，通过与陶氏的合作，他们能够通过使用特殊的真空密封支架将材料放入显微镜之前将材料暴露在空气中。“我们陶氏的同事教我们如何处理空气敏感材料，这是整个事情的关键因素，”Kisielowski说。“我们是控制电子束的专家，这同样重要。这是一种让步合作。”

“从历史上看，对氯化镁的原子级理解很难实现，”该项目的陶氏合作者David Yancey表示，陶氏与伯克利实验室的密切关系使他们能够应用Foundry的显微镜专业知识来解决这一具有挑战性的问题。

通过合作，伯克利实验室和陶氏的研究人员可以解决作为挑战性工业问题根源的基础科学问题。“机构合作关系为未来的研究开辟了新途径，”伯克利实验室研究副主任霍斯特西蒙说。“解决这些重大的基本问题将带来科学，工业和国家经济的深远利益。”

现在，研究人员可以用原子分辨率对塑料生产的催化剂进行成像，他们将研究这些结构与塑料性质之间的关系，为更专业和可持续的塑料铺平道路。

“我们已经知道，我们必须改变世界上塑料的处理方式，”该研究的第二作者，加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究科学家Petra Specht说。“如果你想做出改变，你需要知道这个过程是如何运作的。希望我们的新技术能帮助我们更好地了解塑料的形成方式，以及我们如何制造更具可持续性的材料，”她补充道。