Pela primeira vez, cientistas da Empa e da ETH Zurich têm, em colaboração com uma equipe holandesa, conseguiu medir a estrutura atômica de nanopartículas individuais. A tecnica, publicado recentemente em Natureza , poderia ajudar a entender melhor as propriedades das nanopartículas no futuro.

Em termos químicos, as nanopartículas têm propriedades diferentes de seus «irmãos e irmãs mais velhos»:têm uma grande área de superfície em relação à sua pequena massa e, ao mesmo tempo, um pequeno número de átomos. Isso pode produzir efeitos quânticos que levam a propriedades alteradas do material. Cerâmica feita de nanomateriais pode tornar-se repentinamente flexível, por exemplo, ou uma pepita de ouro é dourada, enquanto uma nanosliver dela é avermelhada.

As propriedades químicas e físicas das nanopartículas são determinadas por sua morfologia tridimensional exata, estrutura atômica e especialmente sua composição de superfície. Em um estudo iniciado pela cientista da ETH Zurich Marta Rossell e pelo pesquisador da Empa Rolf Erni, a estrutura 3D de nanopartículas individuais foi agora determinada com sucesso no nível atômico. A nova técnica pode ajudar a melhorar nossa compreensão das características das nanopartículas, incluindo sua reatividade e toxicidade.

Para seu estudo de microscopia eletrônica, que foi publicado recentemente no jornal Natureza , Rossell e Erni prepararam nanopartículas de prata em matriz de alumínio. A matriz torna mais fácil inclinar as nanopartículas sob o feixe de elétrons em diferentes orientações cristalográficas, enquanto protege as partículas de danos pelo feixe de elétrons. O pré-requisito básico para o estudo era um microscópio eletrônico especial que alcançasse uma resolução máxima de menos de 50 picômetros. A título de comparação:o diâmetro de um átomo mede cerca de um Ångström, ou seja, 100 picômetros.

Para proteger ainda mais a amostra, o microscópio eletrônico foi configurado de forma a também produzir imagens em uma resolução atômica com uma voltagem de aceleração mais baixa, ou seja, 80 quilovolts. Normalmente, esse tipo de microscópio - do qual existem apenas alguns no mundo - funciona a 200-300 quilovolts. Os dois cientistas usaram um microscópio no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia, para seus experimentos. Os dados experimentais foram complementados com medidas adicionais de microscopia eletrônica realizadas na Empa.

Com base nessas imagens microscópicas, Sandra Van Aert, da Universidade de Antuérpia, criou modelos que aumentaram a nitidez das imagens e permitiram sua quantificação:as imagens refinadas possibilitaram contar os átomos de prata individuais ao longo de diferentes direções cristalográficas.

Para a reconstrução tridimensional do arranjo atômico na nanopartícula, Rossell e Erni eventualmente conseguiram a ajuda do especialista em tomografia Joost Batenburg, de Amsterdã, que usou os dados para reconstruir tomograficamente a estrutura atômica da nanopartícula com base em um algoritmo matemático especial. Apenas duas imagens foram suficientes para reconstruir a nanopartícula, que consiste em 784 átomos. "Até agora, apenas os contornos aproximados das nanopartículas poderiam ser ilustrados usando muitas imagens de diferentes perspectivas, "diz Marta Rossell. Estruturas atômicas, por outro lado, só poderia ser simulado no computador sem uma base experimental.

"Aplicações para o método, como a caracterização de nanopartículas dopadas, agora estão nas cartas, "diz Rolf Erni. Por exemplo, o método poderia um dia ser usado para determinar quais configurações de átomos se tornam ativas na superfície das nanopartículas se elas têm um efeito tóxico ou catalítico. Rossell ressalta que, em princípio, o estudo pode ser aplicado a qualquer tipo de nanopartícula. O pré-requisito, Contudo, são dados experimentais como os obtidos no estudo.