Físicos “vêem” a localização de 23.000 átomos únicos pela primeira vez

Henrique
By Henrique Fevereiro 4, 2017 10:08

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Pela primeira vez, cientistas viram os locais exatos de mais de 23.000 átomos em uma partícula que é pequena o suficiente para caber dentro da parede de uma única célula.

Uma equipe liderada por Peter Ercius do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Jianwei Miao da UCLA usou um microscópio eletrônico de varredura para examinar uma partícula que era feita de ferro (Fe) e platina (Pt) com apenas 8,4 nanômetros de diâmetro, de acordo com um artigo na revista Nature. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro).

Por que alguém se importaria com a localização de cada pequeno átomo? “Na nanoescala, cada átomo conta”, escreveu Michael Farle, físico da Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha, em um artigo da revista Nature. “Por exemplo, a mudança das posições relativas de alguns átomos de Fe e Pt em uma nanopartícula de FePt altera dramaticamente as propriedades da partícula, como sua resposta a um campo magnético”.

Feixe de elétrons

Usando um microscópio eletrônico de varredura, um feixe de elétrons é passado sobre a superfície de um objeto para criar uma imagem. Isso permite que os pesquisadores vejam até pequenos detalhes de pequenos pedaços de material como cristais e moléculas de proteína. “Há técnicas muito poderosas para descobrir a estrutura dos cristais”, disse ele. “Mas aqueles têm que ser cristais perfeitos.”

Escaneamento do microscópio eletrônico mostrando os átomos de ferro-platina

Normalmente, quando este tipo de microscópio eletrônico é usado para olhar para um cristal ou outra grande molécula, os elétrons são disparados na amostra e se espalham ao atingi-la, mais ou menos como uma rajada de metralhadora disparada no peito do Super-Homem. Depois de rebaterem nos átomos, os elétrons atingem um detector e, a partir daí, o pesquisador pode olhar para onde os elétrons pousaram para ver a disposição dos átomos no cristal ou na molécula.

O problema, disse Ercius, é que a imagem é construída a partir de uma média que é obtida usando muitos átomos ou moléculas. Ou seja, os pesquisadores vão ver um padrão, mas ele só diz qual é o arranjo de um aglomerado de átomos, e não onde cada um está realmente localizado.

As nanopartículas de ferro-platina são uma espécie de cristal irregular. Mas o método de varredura comum não funcionaria tão bem para eles, porque os átomos estão dispostos de formas únicas e ligeiramente irregulares, disseram os pesquisadores. Então eles tiveram que encontrar uma nova maneira de usar o microscópio eletrônico: Eles decidiram olhar para a amostra de ferro-platina de muitos lados diferentes.

Localizando átomos individuais

Para fazer isso, eles alteraram a forma como a amostra foi preparada. Em vez de deixá-lo no lugar, colocaram-na em uma base especial que lhes permitia girar e inclinar suas partículas de ferro e platina, mudando sua orientação um pouco após cada “instantâneo” com o feixe de elétrons. De resto, o processo que os pesquisadores usaram foi o mesmo de sempre.

Essa simples mudança foi poderosa: as diferentes orientações produziam diferentes padrões de dispersão. Os diferentes padrões, que foram capturados em um detector semelhante ao de câmeras digitais, puderam ser usados para calcular as posições exatas dos 6.569 átomos de ferro e 16.627 átomos de platina na nanopartícula. Não é diferente de fazer um modelo 3D de um objeto, tirando fotos de muitos ângulos, que os animadores fazem rotineiramente. Seus resultados para os locais dos átomos atingiram uma resolução de cerca de um décimo do diâmetro de um único átomo, de acordo com Farle.

Estimativa em 3D dos posicionamentos dos átomos.

No futuro, obter uma imagem tão precisa poderia ajudar os cientistas de materiais na criação de estruturas de tamanho nanométrico para aplicações em discos rígidos. Fabricantes de discos rígidos querem fabricar cristais minúsculos, quase perfeitos, para que eles possam ser facilmente magnetizados e, assim, possam manter um campo magnético por um longo tempo, observou Ercius.

“Todos os cristais têm defeitos” – disse Ercius. “O problema é quando se obtém nanopartículas que têm esses defeitos estranhos nelas. Isto significa que, agora, podemos olhar para esses defeitos e como eles afetam como as coisas funcionam.”

Saber a localização exata de cada átomo também permitiria aos cientistas prever como um cristal poderia crescer. Ercius observou que agora, quando os cientistas de materiais executam simulações, eles têm que assumir que um cristal cresce de uma certa maneira, e essas premissas orientam suas previsões para o futuro. Se eles pudessem ver exatamente onde os átomos estão, poderiam fazer previsões mais precisas de como o cristal se parecerá quando crescer.

“O que há de tão bom nisso é medir a desordem”, disse Ercius. “Ele permite que você veja objetos exclusivos.”

Henrique
By Henrique Fevereiro 4, 2017 10:08