Uma equipe de pesquisadores de Jülich, em cooperação com a Universidade de Magdeburg, desenvolveu um novo método para medir os potenciais elétricos de uma amostra com precisão atômica. Usando métodos convencionais, era virtualmente impossível até agora registrar quantitativamente os potenciais elétricos que ocorrem na vizinhança imediata de moléculas ou átomos individuais. O novo método de microscopia de pontos quânticos de varredura, que foi recentemente apresentado na revista Materiais da Natureza por cientistas da Forschungszentrum Jülich juntamente com parceiros de duas outras instituições, poderia abrir novas oportunidades para a fabricação de chips ou a caracterização de biomoléculas como o DNA.

Os núcleos atômicos positivos e os elétrons negativos, dos quais consiste toda a matéria, produzem campos de potencial elétrico que se sobrepõem e se compensam, mesmo em distâncias muito curtas. Os métodos convencionais não permitem medições quantitativas desses campos de pequenas áreas, que são responsáveis ​​por muitas propriedades e funções de materiais em nanoescala. Quase todos os métodos estabelecidos capazes de gerar imagens de tais potenciais baseiam-se na medição de forças causadas por cargas elétricas. No entanto, essas forças são difíceis de distinguir de outras forças que ocorrem em nanoescala, o que impede medições quantitativas.

Quatro anos atrás, Contudo, cientistas de Forschungszentrum Jülich descobriram um método baseado em um princípio completamente diferente. A varredura da microscopia de ponto quântico envolve anexar uma única molécula orgânica - o ponto quântico - à ponta de um microscópio de força atômica. Essa molécula então serve como uma sonda. "A molécula é tão pequena que podemos anexar elétrons individuais da ponta do microscópio de força atômica à molécula de maneira controlada, "explica o Dr. Christian Wagner, chefe do grupo de manipulação mecânica controlada de moléculas no Peter Grünberg Institute de Jülich (PGI-3).

Os pesquisadores reconheceram imediatamente o quão promissor o método era e entraram com um pedido de patente. Contudo, a aplicação prática ainda estava muito longe. "Inicialmente, foi simplesmente um efeito surpreendente que teve sua aplicabilidade limitada. Tudo mudou agora. Não só podemos visualizar os campos elétricos de átomos e moléculas individuais, também podemos quantificá-los com precisão, "explica Wagner." Isto foi confirmado por uma comparação com cálculos teóricos realizados por nossos colaboradores de Luxemburgo. Além disso, podemos visualizar grandes áreas de uma amostra e, assim, mostrar uma variedade de nanoestruturas de uma só vez. E só precisamos de uma hora para uma imagem detalhada. "

Os pesquisadores de Jülich passaram anos investigando o método e finalmente desenvolveram uma teoria coerente. A razão para as imagens muito nítidas é um efeito que permite que a ponta do microscópio permaneça a uma distância relativamente grande da amostra, cerca de dois a três nanômetros - inimaginável para um microscópio de força atômica normal.

Nesse contexto, é importante saber que todos os elementos de uma amostra geram campos elétricos que influenciam o ponto quântico e, portanto, podem ser medidos. A ponta do microscópio atua como um escudo protetor que amortece os campos perturbadores de áreas da amostra que estão mais distantes. "A influência dos campos elétricos blindados diminui exponencialmente, e o ponto quântico detecta apenas a área circundante imediata, "explica Wagner." Nossa resolução é muito mais nítida do que se poderia esperar até mesmo de uma sonda de ponto ideal. "

Os pesquisadores de Jülich devem a velocidade com que a superfície completa da amostra pode ser medida a seus parceiros da Otto von Guericke University Magdeburg. Os engenheiros desenvolveram um controlador que ajudou a automatizar o complexo, sequência repetida de digitalização da amostra. "Um microscópio de força atômica funciona um pouco como um toca-discos, "diz Wagner." A ponta se move através da amostra e junta uma imagem completa da superfície. Em trabalhos anteriores de microscopia quântica de varredura, Contudo, tivemos que mudar para um site individual na amostra, medir um espectro, passar para o próximo site, medir outro espectro, e assim por diante, para combinar essas medidas em uma única imagem. Com o controlador dos engenheiros de Magdeburg, podemos agora simplesmente examinar toda a superfície, assim como usar um microscópio de força atômica normal. Embora costumava levar de 5 a 6 horas para uma única molécula, agora podemos obter imagens de áreas de amostra com centenas de moléculas em apenas uma hora. "

Existem algumas desvantagens também, Contudo. A preparação das medições exige muito tempo e esforço. A molécula que serve como ponto quântico para a medição deve ser anexada à ponta de antemão - e isso só é possível no vácuo a baixas temperaturas. Em contraste, microscópios de força atômica normais também funcionam em temperatura ambiente, sem necessidade de vácuo ou preparações complicadas.

E ainda, Prof. Stefan Tautz, diretor da PGI-3, é otimista:"Isso não deve limitar nossas opções. Nosso método ainda é novo, e estamos entusiasmados com os primeiros projetos para que possamos mostrar o que realmente pode fazer. "

Existem muitos campos de aplicação para microscopia de pontos quânticos. A eletrônica de semicondutores está ultrapassando os limites de escala em áreas onde um único átomo pode fazer a diferença em termos de funcionalidade. A interação eletrostática também desempenha um papel importante em outros materiais funcionais, como catalisadores. A caracterização de biomoléculas é outro caminho. Graças à distância comparativamente grande entre a ponta e a amostra, o método também é adequado para superfícies ásperas, como a superfície de moléculas de DNA, com sua estrutura 3-D característica.