Mikroskop Baru Mengungkap Arsitektur Atom Tersembunyi dalam Materials Canggih

Para peneliti di College of Sydney telah mengembangkan metode mikroskopi baru yang menggunakan tomografi probe atom untuk mengamati perubahan skala atom pada materials. Kemajuan ini meningkatkan pemahaman tentang sifat materials dan dapat menghasilkan paduan yang lebih kuat untuk kedirgantaraan, semikonduktor yang lebih efisien, dan magnet yang lebih baik untuk motor.

Para peneliti di Universitas Sydney telah mengembangkan metode mikroskopi baru menggunakan atom tomografi penyelidikan untuk mengeksplorasi perubahan tingkat atom pada materials, menjanjikan kemajuan signifikan dalam ilmu dan rekayasa materials.

Teknik mikroskopi baru memungkinkan peneliti mengamati perubahan kecil dalam struktur atom bahan kristal, seperti baja canggih yang digunakan dalam pembuatan kapal dan silikon khusus untuk elektronik. Metode ini berpotensi meningkatkan pemahaman kita tentang asal-usul mendasar sifat dan perilaku materials.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Bahan Alampara peneliti dari Sekolah Teknik Dirgantara, Mekanik, dan Mekatronika Universitas Sydney memperkenalkan cara baru untuk menguraikan hubungan atom dalam materials.

Terobosan ini dapat membantu pengembangan paduan yang lebih kuat dan ringan untuk industri kedirgantaraan, generasi baru semikonduktor untuk elektronik, dan magnet yang lebih baik untuk motor listrik. Hal ini juga dapat memungkinkan terciptanya produk yang berkelanjutan, efisien, dan hemat biaya.

Teknik Canggih dalam Tomografi Atom Probe

Studi yang dipimpin oleh Wakil Rektor Bidang Infrastruktur Riset Universitas Sydney, Profesor Simon Ringer, memanfaatkan kekuatan tomografi probe atom (APT) untuk mengungkap seluk-beluk orde jarak pendek (SRO). Proses SRO merupakan kunci untuk memahami lingkungan atom lokal yang penting bagi pengembangan materials inovatif yang dapat mendukung generasi baru paduan dan semikonduktor.

SRO terkadang disamakan dengan 'genom materials', susunan atau konfigurasi atom dalam kristal. Hal ini penting karena susunan atom lokal yang berbeda memengaruhi sifat elektronik, magnetik, mekanis, optik, dan sifat materials lainnya, yang memengaruhi keamanan dan fungsionalitas berbagai produk.

Gambar atom 2D yang disimulasikan dari wahana atom. Kredit: Universitas Sydney

Hingga saat ini, SRO telah menjadi tantangan bagi para peneliti untuk mengukur dan mengkuantifikasinya karena susunan atom terjadi pada skala yang sangat kecil sehingga sulit dilihat dengan teknik mikroskop konvensional.

Metode baru menggunakan APT, yang dikembangkan oleh tim Profesor Ringer, mengatasi tantangan ini dan membuka jalan bagi kemajuan dalam ilmu materials yang dapat memiliki implikasi luas pada baja untuk lambung kapal dan silikon khusus untuk elektronik dalam berbagai industri.

“Penelitian kami menghadirkan terobosan signifikan dalam ilmu materials,” kata Profesor Ringer, seorang insinyur materials di Sekolah Teknik Dirgantara, Mekanik, dan Mekatronika (AMME).

“Di luar struktur dan simetri kristal, kami ingin mengetahui lebih banyak tentang hubungan lingkungan skala atom dalam kristal—apakah acak atau tidak acak? Jika yang terakhir, kami ingin mengukurnya. SRO memberi kami informasi ini secara terperinci, membuka kemungkinan besar untuk materials yang dirancang khusus, atom demi atom, dengan pengaturan lingkungan tertentu untuk mencapai sifat yang diinginkan seperti kekuatan.”

Penelitian ini difokuskan pada paduan entropi tinggi, yang menjanjikan untuk berbagai aplikasi rekayasa canggih.

Implikasi dan Penelitian Masa Depan

“Paduan ini menjadi subjek upaya penelitian besar-besaran di seluruh dunia karena minat untuk menggunakannya dalam situasi yang membutuhkan kekuatan suhu tinggi, seperti pada mesin jet dan pembangkit listrik, serta untuk perisai radiasi neutron dalam reaktor nuklir, di mana perlindungan terhadap kerusakan radiasi diperlukan,” kata Profesor Ringer.

Tim tersebut menggunakan teknik ilmu information tingkat lanjut yang memanfaatkan information dari APT—teknik pencitraan canggih yang memvisualisasikan atom dalam 3D, yang memungkinkan tim untuk mengamati dan mengukur SRO, membandingkan bagaimana perubahannya pada paduan dalam kondisi pemrosesan yang berbeda.

Penelitian ini difokuskan pada pengamatan entropi tinggi kobalt-kromium-nikel paduanmenunjukkan betapa berbedanya perlakuan panas dapat mengubah SRO.

“Hal ini menyediakan pola untuk penelitian di masa mendatang di mana SRO mengendalikan sifat materials yang penting. Masih banyak yang harus dilakukan pada berbagai aspek analisis SRO—ini masalah yang sulit, tetapi ini merupakan langkah maju yang penting,” kata Profesor Ringer.

Dr Mengwei He, peneliti pascadoktoral di Sekolah Teknik Dirgantara, Mekanik, dan Mekatronika berkata:

“Kemampuan untuk mengukur dan memahami tatanan jangka pendek telah mengubah pendekatan kami terhadap desain materials. Hal ini memberi kami pandangan baru untuk melihat bagaimana perubahan kecil pada arsitektur tingkat atom dapat menghasilkan lompatan besar dalam kinerja materials.”

Yang terpenting, penelitian ini meningkatkan kemampuan peneliti untuk melakukan simulasi komputasi, memodelkan, dan akhirnya memprediksi perilaku materials karena SRO menyediakan cetak biru skala atom yang terperinci.

Peneliti pascadoktoral senior Dr Andrew Breen berkata: “Kami telah menunjukkan bahwa ada rezim di mana SRO benar-benar dapat diukur menggunakan tomografi probe atom. Kami tidak hanya memelopori pendekatan eksperimental dan kerangka komputasi untuk mengukur SRO, kami juga telah menghasilkan analisis sensitivitas yang membatasi rentang keadaan yang tepat di mana pengukuran tersebut legitimate, dan di mana pengukuran tersebut tidak legitimate.”

Dr Will Davids, yang menuntaskan gelar doktornya dengan Profesor Ringer dan kini bekerja di firma teknik Infravue, berkata: “Ini adalah kemajuan yang menggembirakan karena kami telah menunjukkan bahwa pengukuran SRO dapat dilakukan pada paduan multikomponen, yang tidak diragukan lagi akan bermanfaat bagi komunitas ilmu materials dan teknik. Komunitas kini ingin mempelajari cara memperluas lebih jauh metode pengukuran SRO, sehingga ruang yang besar dalam bidang penelitian ini baru saja terbuka.”

Referensi: “Mengukur orde jarak pendek menggunakan tomografi probe atom” oleh Mengwei He, William J. Davids, Andrew J. Breen dan Simon P. Ringer, 2 Juli 2024, Bahan Alam.
DOI: 10.1038/s41563-024-01912-1

Penelitian ini didukung oleh Discovery Program milik Australia Analysis Council (ARC). Tim juga berterima kasih atas dukungan dari program Australia–US Multidisciplinary College Analysis Initiative (AUSMURI) yang didukung oleh Pemerintah Australia. Tim berterima kasih atas dukungan teknis dan ilmiah untuk eksperimen yang dilakukan di fasilitas penelitian berikut: Sydney Microscopy and Microanalysis (SMM), Sydney Analytical, Sydney Informatics Hub, dan Sydney Manufacturing Hub. SMM adalah simpul dasar Microscopy Australia, fasilitas mikroskopi nasional yang didukung NCRIS. Semua tim peneliti ini adalah anggota Faculty of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering di School of Engineering, dan merupakan anggota Australian Centre for Microscopy & Microanalysis. Sebuah aplikasi paten oleh Profesor Ringer sebagian terkait dengan karya ini.