(Phys.org) - Usando um microscópio de última geração e novos métodos de processamento de imagem, uma equipe multi-institucional de pesquisadores desenvolveu uma maneira criativa de medir as posições de sítios atômicos individuais em materiais com mais precisão do que nunca.

Em um artigo publicado em 11 de junho, 2014 na revista Nature Communications , a equipe demonstrou a capacidade de localizar átomos em imagens de materiais de alta resolução melhor do que um picômetro, ou um centésimo de nanômetro. Isso é mais de cinco vezes melhor do que os métodos de imagem anteriores.

Andrew Yankovich, estudante de graduação em ciência de materiais e engenharia na Universidade de Wisconsin-Madison, é o primeiro autor do artigo.

A nova técnica permite que os pesquisadores identifiquem mudanças anteriormente indetectáveis ​​de sítios atômicos individuais em um material. Insights sobre essas mudanças atômicas podem ajudar a pavimentar o caminho para novos materiais inovadores.

"Antes do nosso trabalho, cientistas poderiam usar técnicas de difração de raios-X para medir milhões de átomos por vez, e se um monte desses átomos se mover um pouco mais perto ou um pouco mais distante, essa mudança é mensurável, "diz o co-autor Paul Voyles, professor associado de ciência e engenharia de materiais na UW-Madison.

Embora a difração de raios-X ainda seja a melhor maneira de medir mudanças envolvendo um grande número de átomos com uma precisão muito maior, ele não fornece medidas úteis para estruturas particulares onde os pesquisadores estão tentando medir mudanças em apenas alguns átomos.

"Agora, com esta nova técnica, podemos dizer 'este átomo se moveu um pouco mais perto daquele átomo - e estamos falando apenas sobre esses dois átomos, "diz Voyles." Isso nos dá a capacidade de responder a perguntas sobre a origem atômica da função de classes inteiramente novas de materiais, como catalisadores de nanopartículas de metal, que eram muito difíceis de medir antes. "

Embora Voyles e sua equipe usem um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) de última geração na UW-Madison para coletar dados experimentais, medir estruturas atômicas na escala do picômetro é extremamente difícil, disse Voyles.

"Se alguma coisa se move - o feixe de elétrons da sonda, a amostra, o próprio microscópio, ou a corrente elétrica fluindo em qualquer uma das lentes, então adiciona instabilidade à imagem, o que significa que os átomos se afastam de onde deveriam estar na imagem, "diz Voyles." O STEM é extremamente sensível ao ambiente em que se senta. "

Voyles começou este projeto de pesquisa porque estava procurando uma solução para essas instabilidades instrumentais, que limitou a capacidade de fazer medições mais precisas de sítios atômicos.

Voyles diz que a colaboração interdisciplinar desempenhou um papel crucial na solução do problema. Ele conheceu seus colaboradores em um workshop organizado pelos coautores Peter Binev e Wolfgang Dahmen no Instituto Interdisciplinar de Matemática da Universidade da Carolina do Sul, que convidou Voyles e outros no campo da microscopia eletrônica para falar sobre os desafios em seu campo. Ele se juntou a especialistas em matemática aplicada e processamento de imagens para buscar soluções.

Voyles diz que a descoberta veio quando a equipe encontrou maneiras novas e inteligentes de combinar técnicas de ciência de dados da matemática aplicada para trabalhar com dados de materiais STEM. O resultado foi uma nova combinação de matemática e algoritmos, integrado em uma ferramenta de software.

A nova técnica envolve o uso do STEM para tirar cerca de 500 imagens de uma amostra o mais rápido possível. Todas as imagens deveriam ser iguais, mas não são, porque as instabilidades podem fazer com que os átomos apareçam nas posições erradas. Para corrigir isso, os pesquisadores usam um algoritmo para estimar todas as instabilidades em cada imagem e desfazê-las, produzindo imagens corrigidas em um novo nível de precisão.

Os próximos passos seriam melhorar a usabilidade e eficiência do software e torná-lo amplamente disponível.

"Acho que há uma grande oportunidade para a colaboração interdisciplinar contínua de um tipo semelhante ao que fizemos, para avançar em novas respostas a questões científicas, "diz Voyles.