據(jù)physorg網(wǎng)站2006年7月1日報道,，科學家已經(jīng)證實機電成像技術在液態(tài)環(huán)境中拍攝到的圖像比在空氣中拍攝到的圖像的分辨率強10倍。液態(tài)成像方法可以應用于鐵電材料研究,，也可應用于在分子級上研究生物系統(tǒng)的機電性能,。
來自美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的科學家們在液態(tài)環(huán)境中使用一種簡單的壓電響應力顯微術克服機電成像技術所面臨的幾個難題?？茖W家小組發(fā)現(xiàn)水環(huán)境中的成像能將顯微鏡的負效應(靜電尖錐表面交感和毛細現(xiàn)象)降到最低,。克服這些障礙后他們獲得了更高分辯率圖像,。
機電成像幫助物理學家更好理解鐵電和壓電物質所表現(xiàn)出來的獨特電子和機械性能。采用壓電響應力顯微術,，科學家可以探測這些物質的機電性能,。物理學家們有望從這些物質中開發(fā)出如非易失的隨機訪問存儲器、超高密度數(shù)據(jù)存儲器,、納米傳感器和制動器之類的新技術,。
這篇論文發(fā)表在《近來物理研究論文評論》期刊上，錫爾杰.加里寧是該論文的作者之一,。他告訴PhysOrg網(wǎng)站說,，“更高分辯率的圖像將使我們具備收集更多有關域墻和低維鐵電體結構詳細信息的能力。更重要的是,，溶液中的成像技術將使我們能夠對有關鐵電體極化控制化學進程進行研究,。分辯率提高將使我們更加接近鐵電現(xiàn)象的基本限制。使我們能更好地解決域墻問題,，使用小域設計和辨別材料,。我們可以制造更小和更高密度的域，從而制造出更小和存儲密度更高的設備”,。
鐵電物質存在一對相反電荷,，即“偶極矩”。在電場中其正極和負極區(qū)可以顛倒,。在一千多年前人類就已知道壓電材料,，比如電氣石和石英能夠產生電和光，在機械壓力的作用下產生電壓(或者采用逆向方法在電壓的作用下改變他們的形狀)。這些材料已經(jīng)得到了從聲納到超聲波領域的廣泛應用,，科學家們相信這些材料還存在更多用途,。
在科學家進行的實驗中，他們在原子力顯微鏡懸臂鍍金尖錐和鐵電材料上釋加一個高頻周期性電壓(完全浸入液體之中),，由此在尖錐接觸到的材料上產生一個電場,。電場使鐵電材料表面變形，轉移到顯微鏡尖錐上,，然后通過轉動懸臂進行記錄,。當對鐵電材料表面局部進行測量和調整尖錐放大倍數(shù)和定相，科學家們獲得了極高分辯率圖像,?？茖W家小組拍攝到約3納米大小的域墻寬度，這非常接近真實寬度,，誤差不到1納米,。
科學家對液體中拍攝為何能增加圖像分辯率進行了解釋，液體環(huán)境能消除尖錐和鐵電材料之間產生的靜電交感,，靜電交感在非常小的距離之內會對機電成像能造成不利影響,。首先，液體中的運動離子可以屏蔽靜電交感,，在短距離之內相互吸引,，從而在尖錐表面位置匯合。其次,，液體環(huán)境能消除毛細現(xiàn)象,，毛細現(xiàn)象將擴大尖錐表面接觸區(qū)域，從而減小分辯率,。成功成像的關鍵是對高階懸臂本征模使用高激發(fā)頻率,，將粘性阻尼降到最低，增加懸臂動力在液體中的體積影響,，使顯微鏡靈敏度變得更高,。
加里寧說，“我們驚奇地發(fā)現(xiàn)我們能夠在溶液中對尖錐釋加一個外加偏壓,，之后仍然可以在一個阻尼環(huán)境中測量機電反應,。我們意外發(fā)現(xiàn)運動離子屏蔽了遠距交感，使他們能在近距有效產生作用”,。
在克服這些障礙后,，機電成像獲得高分辨率圖像。這使科學家們探索新的應用,。由于壓電現(xiàn)象與生理學結構存在聯(lián)系,，因此人體可能會成為新的應用領域。
該論文作者之一，布萊恩.洛德利古茲說,，“由于壓電耦合是光子活動和極性鍵的結合,，因此壓電耦合成為了生物系統(tǒng)中一個幾乎普遍存在特征。生物系統(tǒng)中包含有像離子通道,、體外毛發(fā)細胞膜屈電性和線粒體之類的復雜機電耦合形態(tài),。在納米和分子級上對這些機電現(xiàn)象進行探索將幫助我們了解電氣機械和電氣化學在生物系統(tǒng)中轉化的基礎途徑。然而,，大多數(shù)這些系統(tǒng)可能只能在液體生理環(huán)境中進行研究”,。
加里寧說補充到，“最終,，我們希望繼續(xù)這方面的研究能幫助我們更好地了解與生物系統(tǒng)功能相關的機電性能,。例如，了解機械壓力和外加偏壓對干細胞分化成特定體細胞類型,、骨骼再生及其它納米級問題的相互影響”,。
