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CNMS的研究將按以下科學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行組織，選擇這些題目旨在解決對(duì)科學(xué)的了解、納米技術(shù)的機(jī)遇和需要提出的巨大挑戰(zhàn)。
? 大分子復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)和控制大分子材料的納米尺度構(gòu)造的重大挑戰(zhàn)。研究的重點(diǎn)是合成和表征合成和自然存在的大分子以及混合結(jié)構(gòu)。受控自組裝戰(zhàn)略將用來形成帶有被瞄準(zhǔn)目標(biāo)的材料特性和/或生物功能的層次結(jié)構(gòu)。這個(gè)領(lǐng)域強(qiáng)烈需要集中在設(shè)計(jì)新材料上同時(shí)進(jìn)行理論和建立模型的工作，提供對(duì)關(guān)于結(jié)構(gòu)、特性和功能的了解，最后達(dá)到具有預(yù)見性的理論上的了解。用戶搞的研究利用活的陰離子、陽離子和自由基技術(shù)，最后可能會(huì)開發(fā)出用于被控制的大分子合成。對(duì)中子散射研究 – 表征這些系統(tǒng)的重要工具來說，同位素標(biāo)記技術(shù)被用來促進(jìn)帶有氘標(biāo)記聚合物的常用合成。開發(fā)技術(shù)和技巧，協(xié)助用戶利用各種方法，包括光散射、小角度X射線和中子散射、核磁共振、分光鏡法、電子顯微術(shù)（掃描顯微鏡術(shù)和透射顯微術(shù)）以及原子力顯微術(shù)，表征溶液、表面和整體中異常大分子的構(gòu)造。這個(gè)領(lǐng)域與功能性納米材料有很強(qiáng)的偶合性，功能性納米材料的部分科學(xué)重點(diǎn)是碳和其他納米管、納米棒和相關(guān)結(jié)構(gòu)，包括多功能合成物的合成和性能測(cè)量。
 ? 功能性納米材料，應(yīng)對(duì)以下集中的挑戰(zhàn)：1）控制合成許多材料的高質(zhì)量納米棒、納米絲和量子點(diǎn)，為理解納米尺度和維度對(duì)它們性能的影響進(jìn)行測(cè)量；2）需要開發(fā)合成物中使用這些納米材料的方法，同時(shí)基本理解納米尺度力學(xué)和結(jié)構(gòu)科學(xué)；3）將最近開發(fā)的ORNL的能力應(yīng)用到有效尋找和發(fā)現(xiàn)新的氧化薄膜材料以及合成磁性和電氣性能可以系統(tǒng)地進(jìn)行探究和調(diào)節(jié)的人工分層氧化膜結(jié)構(gòu)中與用戶合作的機(jī)會(huì)；4）將時(shí)間分辨就地診斷納米材料生長早期的獨(dú)特能力提供給用戶，幫助它們了解生長機(jī)制，最后幫助它們控制合成。左圖為利用有機(jī)模板合成的有序納米孔硅石。
在CNMS第二次規(guī)劃討論會(huì)上，大分子和功能性納米材料是兩個(gè)具有預(yù)期用戶最多的領(lǐng)域，現(xiàn)在每個(gè)領(lǐng)域都有部分用戶利用ORNL現(xiàn)有的設(shè)施開展自己的納米科學(xué)研究。
? 納米尺度磁學(xué)和傳輸，重點(diǎn)放在材料的合成和表征上。這些材料的特性和功能性明顯地受到納米尺度的影響，包括集體行為以及縮小和可變維度有關(guān)影響的出現(xiàn)。CNMS為用戶提供用于納米尺度測(cè)量的整套掃描探針和獨(dú)一無二的儀器，開展磁力起源的研究，以及利用超薄薄膜、條紋、納米絲和表面進(jìn)行量子傳輸?shù)臏y(cè)量。
? 催化作用和納米組件，重點(diǎn)是納米構(gòu)成的催化劑和輔助物的合成和表征，包括納米粒子/納米晶體的研究。它利用與具有世界水平的ORNL能力的有力配合，包括誤差校正原子分辨電子顯微術(shù)、有效“組成分布”催化劑的尋找和評(píng)估方法（見功能性納米材料）和專門的掃描探針，所有這些均向納米科學(xué)用戶提供。
? 理論、建立模型、模擬和納米材料設(shè)計(jì)研究，用戶通過納米材料理論研究所（NTI）可在CNMS上進(jìn)行。NTI為CNMS的實(shí)驗(yàn)用戶提供理論/計(jì)算支持。另外，通過提高和提供了解納米尺度材料和現(xiàn)象所需要的方法學(xué)，包括應(yīng)對(duì)計(jì)算大的挑戰(zhàn)如設(shè)計(jì)功能性納米材料和虛擬合成，NTI對(duì)成為CNMS用戶的理論和計(jì)算納米科學(xué)方面的研究人員給予支持。NTI熱望成為向用戶傳播理論、建模和確定納米材料科學(xué)計(jì)算最先進(jìn)水平模擬的首要中心。在設(shè)備和專門知識(shí)層面，NTI為納米科學(xué)用戶提供自己的合作人員、博士后和訪問的客座科學(xué)家，以及ORNL計(jì)算科學(xué)中心和領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)計(jì)算設(shè)施的全部設(shè)備和工作人員的專門知識(shí)。在智力層面，NTI通過主辦一項(xiàng)主要從事計(jì)算納米科學(xué)研究的用戶實(shí)驗(yàn)室國際計(jì)劃（NanoFocULs）， 將計(jì)算納米科學(xué)在世界上的領(lǐng)先者和用戶組織起來的一種主要機(jī)制。這種國際計(jì)劃能夠開發(fā)和應(yīng)用最強(qiáng)的技術(shù)，解決了解納米尺度系統(tǒng)和現(xiàn)象的關(guān)鍵問題（由用戶選擇）。
? 納米加工研究，將在1萬平方英尺的納米加工研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。納米加工的科學(xué)重點(diǎn)是開發(fā)控制合成和納米材料引導(dǎo)組裝的新方法，目的是將納米尺度的特性和現(xiàn)象與微尺度和超越微尺度結(jié)合起來。期望這一研究與催化作用和納米組件的研究強(qiáng)烈地聯(lián)系在一起。還將開發(fā)一些方法，在功能上把“軟”和“硬”材料的使用結(jié)合起來，將科學(xué)的重點(diǎn)放在納米尺度生物材料系統(tǒng)上，與大分子研究結(jié)合起來。潔凈室的空間以及電子束和光刻能力為所有其他CNMS科學(xué)項(xiàng)目領(lǐng)域的用戶提供支持。右圖為計(jì)算機(jī)模擬富勒烯分子（白色）移動(dòng)一個(gè)氦原子流體（綠色）通過一個(gè)碳納米管（蘭色）。
? 納米尺度成像、表征和處理，用于納米科學(xué)的獨(dú)特和最先進(jìn)的儀器。
納米科學(xué)日益需要提供具有成像、性能測(cè)量和樣品控制綜合能力的儀器。這些儀器在世界上僅幾個(gè)地方才有，而且通常是作為一般用戶不能獲得使用權(quán)的“β儀器”。通過納米尺度成像、表征和控制科學(xué)題目，CNMS提供獨(dú)特和其它最先進(jìn)的儀器。該項(xiàng)目細(xì)分為三部分，為開發(fā)納米科學(xué)中子（和X射線）散射能力提供內(nèi)行領(lǐng)導(dǎo)；UHV掃描探針；以及電子顯微術(shù)和光譜學(xué)（以掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡為基礎(chǔ)的）儀器。
以下列出并簡(jiǎn)單描述幾個(gè)為CNMS規(guī)劃的獨(dú)特和最先進(jìn)的能力，每個(gè)能力都有可靠用戶使用的目標(biāo)。
納米科學(xué)用的中子：中子散射環(huán)境和技術(shù)
隨著散裂中子源的開放和改進(jìn)的高通亮同位素反應(yīng)堆的重新開放，CNMS用戶很快就能利用世界上最佳的中子散射能力。中子散射能夠特別為磁性和“軟”物質(zhì)系統(tǒng)提供獨(dú)特的補(bǔ)充其他技術(shù)獲得的關(guān)于納米尺度材料和現(xiàn)象方面的信息。此外，散裂中子源的脈沖性質(zhì)意味著，CNMS用戶可以在這樣的系統(tǒng)中研究結(jié)構(gòu)和反應(yīng)的時(shí)間演變。這些考慮使得CNMS必須讓用戶容易利用散裂中子源，辦法是通過為支持利用中子散射的納米科學(xué)研究營造特別的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在必須加以控制的變量中，有同位素置換、溫度、磁場(chǎng)、壓力和流體的流動(dòng)。所需特殊散射環(huán)境和技術(shù)的簡(jiǎn)單目錄包括：（1）高溫；（2）高壓；（3）高磁場(chǎng)、溫度和壓力；（4）低溫和高磁場(chǎng)。這些要在專題討論會(huì)的指導(dǎo)和協(xié)助下，利用散裂中子源/高通亮同位素反應(yīng)堆和全美國中子散射界加以開發(fā)。
用于納米尺度的儀器組
掃描探測(cè)器儀器組：空間分辨表征原子、自旋和電荷。電子學(xué)結(jié)構(gòu)（發(fā)送測(cè)試信息）、構(gòu)形（原子力顯微法）、磁化（改進(jìn)調(diào)頻制）、壓力響應(yīng)原子力顯微法和潛在繪圖，均在CNMS一層實(shí)驗(yàn)室。
電子顯微鏡組：用于樣品制備的掃描電子顯微鏡/FIB；計(jì)量掃描電子顯微鏡；常規(guī)透射電子顯微鏡/掃描透射式電子顯微鏡（最初位于ORNL的主場(chǎng)地）；化學(xué)分析用的掃描電子顯微鏡（EDX）。多數(shù)將放在納米加工研究實(shí)驗(yàn)室的防電磁、防震和隔音的房間里。
超高真空掃描探針
帶掃描電子顯微鏡的4點(diǎn)探針掃描透射式顯微鏡。這臺(tái)儀器能夠?qū)Ρ砻娴募{米尺度目標(biāo)進(jìn)行依賴溫度的量子傳輸測(cè)量：自旋電子學(xué)、自旋注入和自旋傳輸。它把電傳輸?shù)木_4 點(diǎn)測(cè)量與納米尺度掃描電子顯微鏡的靈敏度結(jié)合起來。分辨率小于10 nm 的綜合掃描電子顯微鏡可以對(duì)間隔小于100 nm的所有這4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精確獨(dú)立定位。一個(gè)探針可以被電子透射顯微鏡感應(yīng)的化學(xué)氣相沉積法用來產(chǎn)生一種特征，接著由另一個(gè)點(diǎn)將產(chǎn)生的納米特征直接成像和圍繞特征進(jìn)行精確的4 點(diǎn)傳輸特征測(cè)量。在溫度20-600 K和超高真空時(shí)操作。
現(xiàn)場(chǎng)帶極化分析的掃描電子顯微鏡。這個(gè)自旋極化的掃描電子顯微鏡提供直接將磁疇結(jié)構(gòu)成像需要的10-15 nm 的分辨率，它對(duì)了解磁場(chǎng)、關(guān)鍵行為和依賴自旋傳輸情況下納米結(jié)構(gòu)的自旋反向和自旋動(dòng)力學(xué)非常關(guān)鍵。這個(gè)系統(tǒng)包括超高真空樣品環(huán)境、樣品制備、超高真空電子柱和以自旋極化低能電子衍射為基礎(chǔ)的敏感自旋探測(cè)。面內(nèi)300 mT磁場(chǎng)（可提高到800 mT）可以對(duì)故意搞成納米結(jié)構(gòu)材料中的領(lǐng)域進(jìn)行依賴磁場(chǎng)的研究，操作時(shí)溫度為50–1000 K?？赡艿母倪M(jìn)是利用掃描俄歇對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行元素分析和分辨率在5 nm以下。
“最終掃描透射顯微鏡”，目前正在ORNL和田那西大學(xué)開發(fā)中。它將是一臺(tái)低溫（300 mK–150 K）、高磁場(chǎng)（到9T）的單個(gè)原子或分子光譜學(xué)掃描透射顯微鏡。通過比商業(yè)儀器好100倍的垂直分辨率，使原子分辨光譜學(xué)圖和電子結(jié)構(gòu)k空間繪圖成為可能?！白罱K掃描透射顯微鏡”提供研究納米目標(biāo)量子響應(yīng)需要的溫度和磁場(chǎng)范圍，同時(shí)用現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)方法探測(cè)和激發(fā)原子或分子。其他特征包括現(xiàn)場(chǎng)樣品旋轉(zhuǎn)、室溫樣品交換和轉(zhuǎn)換為帶原子分辨率的磁掃描顯微鏡的機(jī)動(dòng)性。
電子顯微鏡方法和光譜學(xué)
利用電子顯微鏡作為開發(fā)新的納米材料測(cè)量能力的平臺(tái)，是2004年9 月15 -16日在田那西州橡樹嶺召開的利用用于納米相材料科學(xué)的電子、離子和光子的顯微學(xué)、計(jì)量學(xué)和控制討論會(huì)的主題。
與透射電子顯微鏡中的樣品進(jìn)行機(jī)、電、磁或熱相互作用的新能力對(duì)納米材料研究非常關(guān)鍵，可對(duì)單獨(dú)的碳納米管或其他納米尺度的特征進(jìn)行傳導(dǎo)性測(cè)量；控制負(fù)載和位移，以確定強(qiáng)度、彈性系數(shù)或其他響應(yīng)；和局部化加熱或冷卻，以啟動(dòng)反應(yīng)和改變特征。同樣，電子全息術(shù)可以高分辨率和高對(duì)比度將在常規(guī)顯微鏡中具有小的固有對(duì)比度的那些材料成像（碳納米管、混合物、聚合物、蛋白質(zhì)合成物），還能直接將電場(chǎng)和磁場(chǎng)顯形。另外，利用誤差校正，樣品可定位在離電子鏡頭1 個(gè)多厘米的掃描電子顯微鏡中而不降低分辨率。這為原子力顯微鏡+控制器部件以及樣品傾斜提供空間，以便在掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡的圖像中看到同一區(qū)域。這樣同時(shí)發(fā)生的相關(guān)掃描電子顯微鏡/原子力顯微鏡成像，可以看到不能為透射電子顯微鏡合適制備的材料，去掉成像的模糊不清，并能收集由掃描電子顯微鏡產(chǎn)生的許多斷層照相、化學(xué)和電子學(xué)的信息。
顯微術(shù)、計(jì)量學(xué)和控制討論會(huì)的宗旨是使用戶界全面從事認(rèn)定、討論、優(yōu)先考慮和開發(fā)以電子顯微鏡為基礎(chǔ)的設(shè)備、儀器和CNMS讓美國的用戶可靠利用這些儀器設(shè)備的方法。 | 
了解軟物質(zhì)合成和自組裝過程，以及研究在納米尺度出現(xiàn)的集體（合作）現(xiàn)象。右圖為平的和臺(tái)階式碘化納（NaCl，邊長750nm）表面上鐵的納米點(diǎn)和納米絲原子力顯微鏡圖像。
CNMS設(shè)施2003年8月開始建造，計(jì)劃2005年4月竣工，納米科學(xué)用戶研究計(jì)劃于2005年10月開始全面運(yùn)行。4層主樓由濕和干實(shí)驗(yàn)室、辦公室空間和公共區(qū)組成，以促進(jìn)人員、長期研究客人和用戶之間的交流。主樓將配備多樣用來合成、表征和硬軟材料綜合的專門工具。1萬平方英尺的納米加工研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)在一層樓的側(cè)廳，包括潔凈室和為滿足電子束成像和書寫儀器而設(shè)計(jì)的區(qū)域（低電磁場(chǎng)、低振動(dòng)和低聲噪音）。納米材料理論研究所提供合作的工作場(chǎng)地、顯形設(shè)備和與ORNL計(jì)算科學(xué)中心和國家領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)計(jì)算設(shè)施的萬億規(guī)模計(jì)算設(shè)施的高速連接。散裂中子源（計(jì)劃在2006年末開始進(jìn)行有限運(yùn)行）和最近改進(jìn)的高通亮同位素反應(yīng)堆的強(qiáng)中子束，為開展納米尺度材料的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究提供獨(dú)千載難逢的機(jī)會(huì)。CNMS為開展研究而使用多種設(shè)施受益的用戶提供使用這些和ORNL用戶設(shè)施的方便之門，包括共用研究設(shè)備和高溫材料實(shí)驗(yàn)室用戶計(jì)劃中的電子顯微術(shù)。