p Compreender como as reações químicas acontecem em cristais minúsculos em soluções líquidas é fundamental para uma variedade de campos, incluindo síntese de materiais e catálise heterogênea, mas obter tal compreensão requer que os cientistas observem as reações à medida que ocorrem. p Usando técnicas de difração de raios-X coerentes, os cientistas podem medir a forma externa e deformar em materiais nanocristalinos com um alto grau de precisão. Contudo, realizar tais medições requer controle preciso da posição e ângulos do minúsculo cristal em relação ao feixe de raios-X de entrada. Tradicionalmente, isso significa aderir ou colar o cristal a uma superfície, que por sua vez estica o cristal, alterando assim sua estrutura e potencialmente afetando a reatividade.

p "Com pinças ópticas, você pode capturar uma única partícula em seu estado nativo em solução e observar sua evolução estrutural, "disse Linda Young, Distinto companheiro Argonne.

p Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Chicago desenvolveram uma nova técnica que combina o poder de "feixes trator" em nanoescala com raios-X de alta potência, permitindo-lhes posicionar e manipular cristais em solução que não estão em contato com substratos.

p A técnica do feixe trator é conhecida como "pinça óptica, "que também foi coincidentemente premiado com o Prêmio Nobel de Física 2018, porque permite que as amostras sejam manipuladas usando apenas luz.

p Enquanto as pinças ópticas comuns envolvem um único feixe de laser focado, as pinças ópticas holográficas usadas no estudo envolvem lasers precisamente modificados com um modulador de luz espacial. Esses lasers são refletidos em um espelho para criar um padrão de interferência de "pontos de acesso" que são mais localizados do que um feixe de laser simplesmente focalizado e têm locais rapidamente reconfiguráveis. O gradiente de campo elétrico desses pontos ativos focados atrai o cristal polarizável e o mantém no lugar.

p Com um par de pinças engatadas - cada uma em uma extremidade do cristal - os cientistas de Argonne puderam manipular o microcristal semicondutor em três dimensões com alta precisão na presença de uma solução líquida e sem expô-lo a outras superfícies.

p "Usualmente, quando as pessoas olham para os microcristais usando difração de raios-X, eles estão colados em um suporte de amostra, que causa uma distorção, "disse Argonne distinto companheiro Linda Young, um autor correspondente no estudo. "Mas agora, com pinças ópticas, você pode capturar uma única partícula em seu estado nativo em solução e observar sua evolução estrutural. Em princípio, você pode adicionar reagentes, capturar dissolução ou reação e monitorar mudanças em um nível atômico. "

p Ao ganhar a capacidade de manipular a amostra usando apenas luz, Young e seus colegas foram capazes de tirar proveito dos raios-X coerentes produzidos pela Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), um DOE Office of Science User Facility. Usando uma técnica chamada imagem de difração coerente de Bragg (CDI), os pesquisadores foram capazes de examinar a estrutura do cristal em condições reais e de vários ângulos diferentes.

p Ao emparelhar pinças ópticas com Bragg CDI, cientistas agora têm uma nova maneira de explorar materiais em meios líquidos, explicou o cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) Yuan Gao, o primeiro autor do estudo. "Nossa descoberta vem de uma combinação de diferentes técnicas, incluindo o emparelhamento de lasers com o feixe coerente do APS, "disse ele." Para fazer o experimento funcionar, precisávamos da técnica de nanofabricação no Center for Nanoscale Materials para fazer a célula de amostra também. "O Center for Nanoscale Materials (CNM) também é um DOE Office of Science User Facility.

p De acordo com Young, a técnica pode ser útil para uma ampla gama de estudos futuros, incluindo nucleação e crescimento de cristal. "Tipicamente, as pessoas olham para amostras nanocristalinas isoladas no ar ou no vácuo. Queríamos ser capazes de controlar tais objetos na fase líquida. Por exemplo, queríamos ser capazes de assistir a catálise ou cristalização se desdobrar em tempo real com a precisão proporcionada pela cristalografia de raios-X, " ela disse.

p Gao apontou a estabilidade proporcionada pelas pinças ópticas como uma vantagem primária para futuros experimentos de raios-X coerentes. "A difração coerente é muito sensível à posição e orientação da amostra, e este experimento demonstrou as possibilidades desta nova técnica, "disse ele. Por causa da estabilidade da técnica, os investigadores foram capazes de obter dados de difração coerentes, o que lhes permitiu reconstruir a amostra com uma precisão sub-nanométrica, revelando defeitos em escala sub-nanométrica e limites de grão dentro do microcristal ZnO ostensivamente cristalino.

p "Enquanto olhamos para a atualização do APS, que aumentará o brilho dos feixes de raios-X em ordens de magnitude, essas medições serão muito mais rápidas e fornecerão uma visão ainda mais emocionante sobre como as amostras mudam com o tempo, "acrescentou Ross Harder, um físico Argonne da APS que é autor do artigo.

p Eventualmente, os pesquisadores gostariam de estender a técnica para capturar a evolução ultrarrápida do cristal quando ele é excitado por um pulso de laser, disse o professor de química da Universidade de Chicago, Norbert Scherer, outro autor do artigo. "Este é o primeiro passo para alcançar nossa ambição maior, que é visualizar a dinâmica estrutural dependente do tempo de como a rede muda, " ele disse.

p Para realizar o experimento, os pesquisadores contaram com a criação de componentes microfluídicos no CNM. Simulações eletrodinâmicas também foram realizadas no cluster de computação de alto desempenho da CNM. Pesquisadores da Universidade de Chicago contribuíram com sua experiência na técnica de pinça óptica holográfica.

p Um artigo baseado no estudo, "Captura óptica tridimensional e orientação de micropartículas para imagem de difração de raios-X coerente, "apareceu na edição online de 11 de fevereiro do Anais da Academia Nacional de Ciências .