当有人提出“放大”这个词时，它指的是使远处的物体更近或使小物体在有形的尺度上变大。毫无疑问，放大仪器的力量，无论规模和方向如何，都能带动科学领域的进步。自2021年发射以来，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)开始执行一项从宇宙深处收集前所未有的数据的任务，旨在加深我们对早期宇宙和天体生命周期的了解。

超薄膜用于揭示操作条件下的原子尺度问题

原子世界中JWST的恰当类比是像差校正电子显微镜(ACEM)。通过利用高度相干的电子和像差校正器，该显微镜擅长解析亚原子特征，从而可以全面探索材料中的结构-功能关系。作为纳米世界导航仪的主要工具，现代ACEM可以提供其他表征方法无法替代的宝贵信息。

这一矛盾源于高能电子的二重性。电子的波动特性允许高分辨率成像，而它们的粒子特性使得碰撞不可避免。当粒子穿过环境压力气体时，它们的平均自由程(它们在大幅改变其原始方向或能量之前可以行进的距离)仅限于大约100nm。

弹道碰撞会改变电子的方向或耗尽其能量，从而严重阻碍电子光学的性能。为了避免这些碰撞，显微镜镜筒通常保持在超高真空条件下，其厚度至少比环境空气薄1010倍。

ACEM的性质限制了其对静态、薄层和固体样品的适用性。然而，材料还包括固体以外的各种物质状态，包括液体、气体和等离子体。为了观察纳米级的反应，必须将所涉及的流体介质封装在密封的纳米反应器中，防止它们消散。氮化硅微机电系统(MEMS)技术的利用满足了这些特殊需求，使研究人员能够探索纳米尺度的反应。

作为封装膜的氮化硅薄膜可以利用化学气相沉积工艺方便地制备，其厚度在几十纳米范围内。这些薄膜表现出合理的机械冲击弹性，特别是当它们的厚度超过一定厚度时，尽管与电子透明度存在权衡关系。

类似于具有几英尺厚的玻璃墙的水族馆，该玻璃墙可能足够坚固以容纳大量的水，最大化透过玻璃的可见度变得具有挑战性。因此，设计“墙”对于确保水族箱和ACEM液体容器的最佳可视性至关重要。

为了应对这一挑战，我们从蜂箱中汲取灵感，蜂箱是一种能够在使用最少材料的情况下承受高机械应力的结构。我们的解决方案涉及在超薄氮化硅下方使用重掺杂硅创建空间填充六边形支撑系统，实现这一目标的厚度仅为传统方法的1/5。

蜂巢状结构最大化了观察反应的开口，并在机械应力下提供了最佳的强度。通过这一超薄突破，薄膜可以减薄至个位数纳米级——大约是人类头发厚度的1/10,000，而不会在显微镜下出现破裂或泄漏。

超薄膜的透明度允许以亚纳米空间分辨率绘制流体图，并显着抑制不利的电子散射，这是传统包封材料无法实现的能力。这一突破使得气相灵敏度达到了在透射电子显微镜(TEM)内检测少量气体分子的程度。这种水平的灵敏度允许以微秒级的时间分辨率捕获气固界面处发生的反应。

作为一个说明性的例子，我们想象了在环境温度和压力条件下氢原子插入钯金属的情况。该技术在开发和研究气相碳捕获纳米催化剂以及燃料电池和金属空气电池等能源材料方面具有巨大潜力，可提供原子尺度的见解。我们的工作发表在《科学进展》杂志上。

尽管运行规模和范围不同，但我们将这一发展与詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的突破性能力相提并论，后者正在提供前所未有的图像和数据，挑战宇宙学理论。此外，我们建议这种设计超薄膜微芯片的创新策略可以扩展到薄膜作为封装和/或支撑材料的各种应用，其影响超出了纳米科学领域。