p Uma nova técnica para visualizar as estruturas eletrônicas em rápida mudança de materiais em escala atômica à medida que se torcem, cambalhotas e perambulações pelo nanomundo estão tomando forma no California Institute of Technology. Lá, os pesquisadores, pela primeira vez, combinaram com sucesso dois métodos existentes para visualizar a dinâmica estrutural de uma fina película de grafite. p Descrito esta semana na revista Structural Dynamics, da AIP Publishing e da American Crystallographic Association, sua abordagem integrou uma técnica de análise estrutural altamente específica conhecida como "espectroscopia de perda de núcleo" com outra abordagem conhecida como microscopia eletrônica quadridimensional (4-D) ultrarrápida - uma técnica desenvolvida pelo laboratório Caltech, que é chefiado pelo Prêmio Nobel Ahmed Zewail.

p Na espectroscopia de perda de núcleo, os elétrons de sondagem de alta velocidade podem excitar seletivamente os elétrons do núcleo de um átomo específico em um material (os elétrons do núcleo são aqueles mais fortemente ligados ao núcleo atômico). A quantidade de energia que os elétrons centrais ganham dá uma visão da estrutura eletrônica local, mas a técnica é limitada na resolução de tempo que pode atingir - tradicionalmente muito lenta para reações catalíticas rápidas. A microscopia eletrônica 4-D também revela a dinâmica estrutural dos materiais ao longo do tempo, usando pulsos curtos de elétrons de alta energia para sondar amostras, e é projetado para resolução em tempo ultrarrápido.

p A combinação dessas duas técnicas permitiu que a equipe rastreasse com precisão as mudanças locais na estrutura eletrônica ao longo do tempo com resolução ultrarrápida.

p "Nesse trabalho, demonstramos pela primeira vez que podemos sondar elétrons do núcleo profundo com energias de ligação bastante altas, excedendo 100 eV, "disse Renske van der Veen, um dos autores do novo estudo. "Estamos equipados com uma ferramenta de sondagem ultrarrápida que pode investigar, por exemplo, os processos de relaxamento em nanopartículas fotocatalíticas, transições de fase fotoinduzidas em materiais em nanoescala ou a dinâmica de transferência de carga em interfaces. "

p Combinando duas técnicas em uma bancada

p A integração das duas técnicas revelou-se um desafio. Porque os elétrons se repelem, existem apenas alguns elétrons que podem ser compactados em um pulso. À medida que você encurta cada pulso para aumentar a resolução de tempo, cada pulso contém menos elétrons, e a chance de interação entre os elétrons de sondagem e os elétrons do núcleo diminui. Particularmente nos altos níveis de energia necessários para excitar os elétrons do núcleo profundo (1 e 2 camadas de elétrons), "o sinal de muitos pacotes de elétrons deve ser integrado por um longo tempo, "explicou van der Veen.

p Os pesquisadores testaram sua técnica em filmes finos de grafite, demonstrar que a excitação do laser faz com que as ligações carbono-carbono no plano na estrutura se expandam e a lacuna de energia π-π * encolha na escala de tempo de picossegundos (um trilionésimo de segundo).

p A espectroscopia de perda de núcleo é em alguns aspectos semelhante à espectroscopia de absorção de raios-X, mas tem algumas vantagens críticas. "Usando raios X, o estudo de nanoobjetos individuais e a imagem em escala atômica in situ de materiais permanece bastante desafiador. A este respeito, a espectroscopia de perda de núcleo ultrarrápida em microscopia eletrônica oferece uma grande vantagem. Imaging, difração e espectroscopia são combinadas na mesma configuração de mesa; informações complementares sobre a mesma amostra podem ser obtidas prontamente, "disse van der Veen.

p A capacidade de visualizar a dinâmica ultrarrápida de átomos individuais tem amplas aplicações em disciplinas científicas, da ciência dos materiais à biologia. Os pesquisadores esperam que futuros desenvolvimentos em "fontes de elétrons pulsados ​​e métodos de detecção" permitam que sua técnica seja usada em experimentos mais avançados.