(PhysOrg.com) - Os pesquisadores da UCLA agora são capazes de perscrutar as estruturas mais ínfimas do mundo para criar imagens tridimensionais de átomos individuais e suas posições. Sua pesquisa, publicado em 22 de março na revista Natureza , apresenta um novo método para medir diretamente a estrutura atômica de nanomateriais.

"Este é o primeiro experimento onde podemos ver diretamente estruturas locais em três dimensões em resolução em escala atômica - isso nunca foi feito antes, "disse Jianwei (John) Miao, professor de física e astronomia e pesquisador do California NanoSystems Institute (CNSI) na UCLA.

Miao e seus colegas usaram um microscópio eletrônico de transmissão de varredura para varrer um feixe estreito de elétrons de alta energia sobre uma minúscula partícula de ouro com apenas 10 nanômetros de diâmetro (quase 1, 000 vezes menor do que um glóbulo vermelho). A nanopartícula continha dezenas de milhares de átomos de ouro individuais, cada um cerca de um milhão de vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano. Esses átomos interagem com os elétrons que passam pela amostra, lançando sombras que contêm informações sobre a estrutura interna da nanopartícula em um detector abaixo do microscópio.

A equipe de Miao descobriu que, ao fazer medições em 69 ângulos diferentes, eles poderiam combinar os dados coletados de cada sombra individual em uma reconstrução 3-D do interior da nanopartícula. Usando este método, que é conhecido como tomografia eletrônica, A equipe de Miao foi capaz de ver diretamente os átomos individuais e como eles estavam posicionados dentro da nanopartícula de ouro específica.

Atualmente, A cristalografia de raios X é o principal método para visualizar estruturas moleculares 3-D em resoluções atômicas. Contudo, este método envolve medir muitas amostras quase idênticas e calcular a média dos resultados. A cristalografia de raios-X normalmente leva em média trilhões de moléculas, o que faz com que algumas informações se percam no processo, Disse Miao.

"É como fazer a média de todos na Terra para ter uma ideia de como é a aparência de um ser humano - você perde completamente as características únicas de cada indivíduo, " ele disse.

A cristalografia de raios-X é uma técnica poderosa para revelar a estrutura de cristais perfeitos, que são materiais com um favo de mel ininterrupto de átomos perfeitamente espaçados alinhados tão ordenadamente quanto livros em uma prateleira. No entanto, a maioria das estruturas existentes na natureza são não cristalinas, com estruturas muito menos ordenadas do que suas contrapartes cristalinas - imagine um mosh pit de show de rock em vez de soldados desfilando.

"Nossa tecnologia atual é baseada principalmente em estruturas de cristal porque temos maneiras de analisá-las, "Miao disse." Mas para estruturas não cristalinas, nenhum experimento direto viu estruturas atômicas em três dimensões antes. "

A sondagem de materiais não cristalinos é importante porque mesmo pequenas variações na estrutura podem alterar muito as propriedades eletrônicas de um material, Miao notou. A capacidade de examinar de perto o interior de um semicondutor, por exemplo, pode revelar falhas internas ocultas que podem afetar seu desempenho.

"A resolução atômica tridimensional de estruturas não cristalinas continua sendo um grande problema não resolvido nas ciências físicas, " ele disse.

Miao e seus colegas ainda não resolveram o enigma não cristalino, mas eles mostraram que podem criar imagens de uma estrutura que não é perfeitamente cristalina com uma resolução de 2,4 angstroms (o tamanho médio de um átomo de ouro é 2,8 angstroms). A nanopartícula de ouro que mediram para seu papel acabou sendo composta de vários grãos de cristal diferentes, cada uma formando uma peça do quebra-cabeça com átomos alinhados em padrões sutilmente diferentes. Uma nanoestrutura com segmentos cristalinos ocultos e limites internos se comportará de maneira diferente de uma feita de um único cristal contínuo - mas outras técnicas não teriam sido capazes de visualizá-los em três dimensões, Disse Miao.

A equipe de Miao também descobriu que a pequena gota dourada que estudaram tinha, na verdade, o formato de uma gema multifacetada, embora ligeiramente achatado de um lado por estar apoiado em uma plataforma plana dentro do microscópio gigantesco - outro pequeno detalhe que pode ter sido reduzido ao se usar métodos mais tradicionais.

Este projeto foi inspirado na pesquisa anterior de Miao, que envolveu encontrar maneiras de minimizar a dose de radiação administrada aos pacientes durante as tomografias. Durante uma varredura, os pacientes devem ser radiografados em uma variedade de ângulos, e essas medidas são combinadas para dar aos médicos uma imagem do que está dentro do corpo. Miao encontrou uma maneira matematicamente mais eficiente de obter imagens semelhantes em alta resolução enquanto fazia varreduras em menos ângulos. Mais tarde, ele percebeu que esta descoberta poderia beneficiar os cientistas que investigam o interior das nanoestruturas, não apenas médicos à procura de tumores ou fraturas.

Nanoestruturas, como pacientes, pode ser danificado se muitas varreduras forem administradas. Um bombardeio constante de elétrons de alta energia pode fazer com que os átomos nas nanopartículas sejam reorganizados e a própria partícula mude de forma. Ao trazer sua descoberta médica para seu trabalho em ciência de materiais e nanociência, Miao foi capaz de inventar uma nova maneira de espiar dentro das estruturas mais ínfimas do campo.

A descoberta feita pela equipe de Miao pode levar a melhorias na resolução e qualidade de imagem para pesquisas de tomografia em muitos campos, incluindo o estudo de amostras biológicas.