康涅狄格州大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表报告称，以一种从未打算使用的方式使用一种熟悉的工具，为探索材料开辟了一种全新的方法。他们的具体发现可能会在某一天创造出更节能的计算机芯片，但这项新技术本身可能会在更广泛的领域开辟新发现。原子力显微镜(AFM)拖动一个超锋利的尖D穿过材料，非常接近但从未触及表面。尖D可以感觉到表面的位置，检测材料产生的电磁力。通过有条不紊地来回传递，研究人员可以绘制出一种材料的表面属性，就像测量员有条不紊地在一块土地上踱步以绘制该领土的地图一样。原子力显微镜可以在比一粒盐小几千倍的尺度上描绘出一种材料的孔、突起和特性。
原子力显微镜AFM被设计用来研究表面，大多数情况下，使用者会尽量避免用刀尖撞击材料，因为这可能会损坏材料的表面，但有时也会发生。几年前研究生Yasemin Kutes和博士后Justin Luria在材料科学与工程教授Brian Huey的实验室研究太阳能电池，无意中挖到了他们的样本。起初，他们认为这是一个令人恼火的错误，但当库特斯将AFM的尖D深深插入她无意中挖出的沟里时，他们确实注意到这种材料的性质看起来有所不同。库特斯和罗瑞亚并没有追究，但另一名研究生詹姆斯·史蒂芬斯(James Steffes)受到启发，更仔细地研究了这个想法。他想知道，如果故意像凿子一样使用AFM的尖D，然后挖进一种材料，会发生什么?
它能不能一层一层地描绘出材料的电性和磁性，就像它在二维空间里描绘表面那样，绘制出材料的三维图像?材料内部的性质会有什么不同吗?Steffes、Huey和同事在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表报告称，答案是肯定的。他们深入研究了铋铁氧体(BiFeO3)的样品，这是一种室温多铁氧体。多铁氧体是一种可以同时具有多种电或磁特性的材料。例如，铋铁氧体既具有反铁磁性——它对磁场有响应，但总体上不表现出南北磁极——又具有铁电性，这意味着它具有可切换的电极化。这种铁电材料通常由称为畴的微小部分组成。每个区域就像一组电池，它们的正极都朝同一个方向排列，域两侧的集群将指向另一个方向。
它们对计算机内存非常有价值，因为计算机可以翻转域，在材料上“书写”，使用磁场或电场。当材料科学家在一块铋铁氧体上读写信息时，通常只能看到表面发生了什么。但是他们很想知道在地表以下发生了什么——如果能理解这一点，就有可能将这种材料设计成比现在的计算机芯片运行速度更快、耗能更少的更高效的计算机芯片。这将对整个社会的能源消耗产生巨大的影响——目前，美国5%的电力消耗都用在了运行中的电脑上。为了找到答案，Steffes、Huey和团队成员使用AFM技巧，小心翼翼地挖穿了一层铋铁氧体薄膜，并一块一块地绘制出内部的地图。发现可以将各个域一直映射到下面，暴露出在表面上并不总是明显的模式和属性。有时一个域缩小，直到消失或分裂成y形，或与另一个域合并。以前从来没有人能用这种方法看到这种材料的内部。
这很有启发性，就像你以前只能看到二维x光的时候，却只能看到骨头的三维CT扫描。在全球范围内，大约已经安装了3万个afm。其中很大一部分人将在2019年尝试用AFM进行3d绘图，因为意识到一直在探索表面。他还认为，如果3-D映射技术能够应用于他们的材料，更多的实验室将会购买AFMs，一些显微镜制造商将开始专门设计3-D扫描的AFMs。英特尔、村田和其他地方的研究人员也对他们在寻找制造下一代计算机芯片新材料时发现的铋铁氧体感兴趣。与此同时，休伊团队正在利用原子力显微镜挖掘各种材料，从混凝土到骨骼，再到许多计算机部件。通过与学术和企业合作伙伴的合作，可以利用我们的新见解来了解如何更好地设计这些材料，以减少能源消耗，优化它们的性能，提高它们的可靠性和寿命——这些都是材料科学家每天努力做的事情。