Pela primeira vez na longa e alardeada história da microscopia eletrônica de varredura, a estrutura atômica única na superfície de um material foi resolvida. Este marco na imagem científica foi possibilitado por uma nova técnica analítica desenvolvida por uma equipe multi-institucional de pesquisadores, incluindo cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Berkeley Lab).

"Desenvolvemos um método razoavelmente direto para determinar a estrutura atômica de uma superfície que também aborda o problema muito desafiador de interfaces enterradas, "diz Jim Ciston, um cientista da equipe do National Center for Electron Microscopy (NCEM) na Molecular Foundry, um DOE Office of Science User Facility. "Embora os átomos da superfície representem uma fração minúscula do número total de átomos em um material, esses átomos conduzem uma grande parte das interações químicas do material com seu ambiente. "

Ciston é o autor principal e correspondente de um artigo que descreve este novo método analítico na revista Nature Communications . O artigo é intitulado "Determinação de superfície por meio de imagens de elétrons secundários resolvidos atomicamente". Outros co-autores são Hamish Brown, Adrian D'Alfonso, Pratik Koirala, Colin Ophus, Yuyuan Lin, Yuya Suzuki, Hiromi Inada, Yimei Zhu, Les Allen, e Laurence Marks.

A maioria dos materiais interage com outros materiais por meio de suas superfícies, que são frequentemente diferentes em estrutura e química da maior parte do material. Muitos processos importantes ocorrem em superfícies, variando dos catalisadores usados ​​para a geração de combustíveis com alta densidade energética a partir da luz solar e dióxido de carbono, para como pontes e aviões enferrujam.

"Em essência, a superfície de cada material pode atuar como seu próprio revestimento de nanomaterial que pode mudar muito sua química e comportamento, "Ciston diz." Para compreender esses processos e melhorar o desempenho do material, é vital saber como os átomos estão dispostos nas superfícies. Embora agora existam muitos métodos bons para obter essas informações para superfícies bastante planas, quando as superfícies são ásperas, a maioria das ferramentas disponíveis atualmente são limitadas no que podem revelar. "

"A beleza desta técnica é que podemos criar imagens de átomos de superfície e átomos em massa simultaneamente, "diz o co-autor Zhu, um cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven. "Atualmente, nenhum dos métodos existentes pode fazer isso."

A microscopia eletrônica de varredura (SEM) é uma excelente técnica para estudar superfícies, mas normalmente fornece informações apenas sobre a topologia em resolução em nanoescala. Uma nova versão altamente promissora de microscopia eletrônica de varredura, chamado de "microscopia eletrônica de varredura de alta resolução, "ou HRSEM, estende esta resolução para a escala atômica e fornece informações sobre os átomos de superfície e em massa simultaneamente, retendo muito da sensibilidade da superfície do SEM tradicional por meio de elétrons secundários.

Os elétrons secundários são o resultado de um feixe de elétrons altamente energizado que atinge um material e faz com que os átomos desse material emitam energia na forma de elétrons, em vez de fótons. Como uma grande parte dos elétrons secundários são emitidos da superfície de um material, além de seu volume, eles são bons recursos para obter informações sobre a estrutura da superfície atômica. Contudo, a seletividade de superfície de HRSEM nunca foi totalmente explorada.

"Embora instrumentos poderosos estejam disponíveis há vários anos, o progresso nas aplicações da ciência dos materiais tem sido lento devido à incapacidade de interpretar diretamente a superfície e os componentes em massa das imagens HRSEM de forma independente, "Ciston diz." Esta dificuldade resultou da falta de uma estrutura teórica totalmente desenvolvida para entender a formação de imagens SEM em escala atômica. "

Os métodos de simulação de imagem de elétrons secundários existentes tiveram que ser estendidos para levar em consideração as contribuições dos orbitais de valência no material, ele diz, e também o efeito da triagem dielétrica na eficiência de geração de sinal daqueles orbitais de valência.

Para verificar a eficácia de seu novo quadro teórico, Ciston, Allen, Marks e seus colegas coletaram e analisaram em detalhes uma série de imagens HRSEM de um arranjo particular de átomos na superfície do titanato de estrôncio. Esses experimentos foram acoplados a simulações cuidadosas de imagens de elétrons secundários, cálculos da teoria funcional da densidade, e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução com correção de aberração.

"As imagens convencionais de microscopia eletrônica de transmissão são bem compreendidas e foram necessárias para confirmar que realmente tínhamos a estrutura correta e que a nova teoria HRSEM estava no caminho certo, "Ciston diz." Tomado coletivamente, a análise nos permitiu fazer referência inequívoca às informações da superfície às informações do cristal em massa. "

A excelente concordância entre os cálculos e os resultados experimentais mostrou que o HRSEM é uma ferramenta altamente promissora para a determinação da estrutura superficial, incluindo o tópico desafiador de registro de superfície / volume. De sua demonstração, a colaboração descobriu que as estruturas de superfície atômica relatadas anteriormente para titanato de estrôncio com uma "periodicidade 6x2" estão erradas, tendo falhado em detectar uma coordenação sete vezes incomum dentro de uma cobertura de superfície tipicamente alta de grupos de óxido de titânio.

“Começamos este trabalho investigando um material bem estudado, mas a nova técnica é tão poderosa que tivemos que revisar muito do que já se pensava ser bem conhecido, "Ciston diz.

Co-autor Allen, um cientista da Universidade de Melbourne na Austrália, que liderou os aspectos teóricos e de modelagem da nova técnica de imagem, acrescenta:"agora temos uma compreensão sofisticada do que significam as imagens".

Talvez o primeiro alvo para a aplicação dessa nova técnica analítica de superfície HRSEM seja o estudo de estruturas de superfície nas facetas das nanopartículas. As estruturas de superfície das facetas das nanopartículas são extremamente desafiadoras para a imagem na vista plana (vista de cima) usando microscopia eletrônica, um déficit que precisa ser corrigido, como explica Ciston.

"A geometria da vista de planta é importante porque as estruturas de superfície costumam desenvolver múltiplos domínios, e precisamos ter certeza de que não estamos projetando através de múltiplas estruturas e orientações, ", diz ele." Este é um problema muito desafiador, uma vez que as técnicas de sondagem de varredura geralmente não podem abordar superfícies de nanopartículas em resolução atômica, e a difração de raios-X de superfície requer grande, superfícies de cristal único. "

Diz o co-autor Marks, professor de ciência de materiais e engenharia da Northwestern University, “Também estamos bastante entusiasmados com as possibilidades de aplicá-los aos problemas de corrosão. O custo da corrosão para a indústria e os militares é enorme, e precisamos entender tudo o que está acontecendo para produzir materiais que durarão mais. "