O professor assistente Long Ju (centro) e seus colegas construíram um novo, versão personalizada de uma ferramenta de laboratório conhecida como nanoscopia infravermelha de campo próximo e espectroscopia para usuários do MIT. Ele e uma versão anterior, também no laboratório de Ju, são as primeiras ferramentas desse tipo no Instituto. Aqui, o estudante de graduação Matthew Yeung, Professor Ju, e o pós-doutorado Zhengguang Lu estão ao lado da nova ferramenta. Crédito:Long Ju
Um físico do MIT construiu um novo instrumento de interesse para os pesquisadores do MIT em uma ampla gama de disciplinas porque pode determinar de forma rápida e relativamente barata uma variedade de características importantes de um material em nanoescala. É capaz não apenas de determinar as propriedades internas de um material, por exemplo, como a condutividade elétrica ou óptica desse material muda em distâncias extremamente curtas, mas também visualizando moléculas individuais, como proteínas.
"A pesquisa de materiais modernos se beneficiou muito de ferramentas experimentais avançadas, "diz Long Ju, professor assistente do Departamento de Física. Ju é especialista em um instrumento emergente que combina nanoscopia - a capacidade de ver coisas em nanoescala - com espectroscopia, que investiga materiais explorando suas interações com a luz.
A ferramenta, conhecido como um nanoscópio infravermelho de campo próximo e espectroscópio (também é conhecido como um microscópio óptico de varredura de campo próximo do tipo espalhamento, ou s-SNOM), está disponível comercialmente. Contudo, "é bastante desafiador para novos usuários, que limita as aplicações da técnica, "diz Ju.
Então, o grupo Ju construiu sua própria versão da ferramenta - o primeiro s-SNOM no MIT - e em maio concluiu uma segunda, versão mais avançada com funções adicionais. Agora, ambos os instrumentos estão disponíveis para a comunidade do MIT, e o grupo Ju está à disposição para dar assistência aos usuários do MIT e desenvolver novas funcionalidades. Ju incentiva os colegas do MIT a contatá-lo com possíveis aplicações ou perguntas.
"É empolgante porque é uma plataforma que pode, em princípio, hospedar muitos sistemas de materiais diferentes e extrair novas informações de cada um, "diz Ju, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. "É também uma plataforma para algumas das melhores mentes do mundo - pesquisadores do MIT - conceber coisas além do que pode ser feito em um s-SNOM padrão."
A nova ferramenta é baseada em microscopia de força atômica (AFM), em que uma ponta metálica extremamente afiada com um raio de apenas 20 nanômetros, ou bilionésimos de um metro, é digitalizado na superfície de um material. AFM cria um mapa das características físicas, ou topografia, de uma superfície, de alta resolução que pode identificar "montanhas" ou "vales" com menos de um nanômetro de altura ou profundidade.
Esquema de close-up da nova ferramenta para caracterizar materiais em nanoescala. A luz infravermelha (vermelha) é focada em uma ponta metálica. A luz que é espalhada de volta pode ser analisada por uma variedade de propriedades. Crédito:Long Ju
Adicionando luz
Ju está acrescentando luz à equação. Focar um laser infravermelho na ponta do AFM transforma essa ponta em uma antena "assim como a antena de uma televisão que é usada para receber sinais, "ele diz. E isso, por sua vez, aumenta muito as interações entre a luz e o material abaixo da ponta. A luz retroespalhada coletada dessas interações pode ser analisada para revelar muito mais sobre a superfície do que seria possível com um AFM convencional.
O resultado:"Você pode obter uma imagem de sua amostra com resolução espacial três ordens de magnitude melhor do que as medidas convencionais de infravermelho, "diz Ju. Em trabalho anterior relatado em Natureza , ele e seus colegas publicaram imagens de grafeno obtidas com AFM e com a nova ferramenta. Existem características em comum entre os dois, mas a imagem de campo próximo é crivada de linhas brilhantes que não são visíveis na imagem AFM. Eles são paredes de domínio, ou as interfaces entre duas seções diferentes de um material. Essas interfaces são essenciais para compreender a estrutura e as propriedades de um material.
Imagens de detalhes semelhantes podem ser capturadas com microscopia eletrônica de transmissão (TEM), mas TEM tem algumas desvantagens. Por exemplo, deve ser operado em ultra-alto vácuo, e as amostras devem ser extremamente finas para suspensão em um filme ou membrana. "O primeiro limita o rendimento experimental, enquanto o último não é compatível com a maioria dos materiais, "diz Ju.
Em contraste, o nanoscópio de campo próximo "pode ser operado no ar, não requer suspensão da amostra, e você pode trabalhar na maioria dos substratos sólidos, "Ju diz.
A imagem à esquerda de uma superfície de grafeno foi obtida usando microscopia de força atômica. A imagem muito mais detalhada à direita foi obtida adicionando luz infravermelha à configuração por meio de uma nova ferramenta de laboratório conhecida como nanoscopia infravermelha de campo próximo e espectroscopia. O professor assistente Long Ju criou versões personalizadas dessa ferramenta para o MIT. Crédito:Long Ju
Muitos aplicativos
Ju observa que a ferramenta de campo próximo não pode apenas fornecer imagens de alturas de alta resolução; a análise da luz retroespalhada da ponta da máquina também pode fornecer informações importantes sobre as propriedades internas de um material. Por exemplo, pode distinguir metais de isoladores. Ele também pode distinguir entre materiais com a mesma composição química, mas diferentes estruturas internas (pense em diamante versus grafite de lápis).
Em um exemplo, ele descreve como "especialmente legal, “Ju diz que o instrumento poderia até ser usado para observar a transição de um material isolante para supercondutor conforme a temperatura muda. Ele também é capaz de monitorar reações químicas em nanoescala.
Ju também observa que a nova ferramenta pode ser operada de diferentes maneiras para diferentes fins. Por exemplo, ele disse, a ponta da ferramenta pode ser digitalizada através de uma superfície enquanto é irradiada com um comprimento de onda de luz definido, ou a ponta pode ser estacionada em uma determinada área e sondada com luz de diferentes comprimentos de onda. Diferentes comprimentos de onda de luz interagem de maneira diferente com diferentes materiais, dando ainda mais informações sobre a composição de um determinado material ou outras características.
Ju, que veio para o MIT em 2019, está gostando muito de conhecer outros pesquisadores do MIT que possam ter aplicações para sua máquina. "É empolgante trabalhar com pessoas de diferentes áreas de pesquisa. Vocês podem trabalhar juntos para gerar novas ideias de ponta."
