Os raios X têm sido usados ​​há muito tempo para fazer fotos de objetos minúsculos, até mesmo átomos individuais. Agora, uma equipe de cientistas descobriu um novo uso para os raios X em escala atômica:usá-los como uma arma de radar para medir o movimento e a velocidade de grupos complexos e confusos de átomos.

"É um pouco como uma armadilha de velocidade da polícia - para defeitos atômicos e em nanoescala, "diz Randall Headrick, um professor de física da Universidade de Vermont que liderou a equipe de pesquisa. A nova técnica foi relatada em 28 de março na revista. Física da Natureza .

TINY PORES

Os raios X têm grande poder de olhar para dentro. Não é apenas o Superman; cientistas têm se aproximado do que pode parecer ficção científica, treinar raios X em objetos minúsculos, incluindo cadeias de DNA, vírus, e átomos individuais. Mas, à medida que investigam a estrutura de coisas cada vez menores, o arranjo aleatório desses objetos torna cada vez mais difícil distingui-los. Um problema antigo é que boas imagens de raios-X requerem cristais quase perfeitos - objetos idênticos em ordem precisa. Na escala dos átomos, objetos complexos e desordenados - como os filmes finos que são usados ​​para fazer a tela de um telefone celular ou as camadas de metal usadas em circuitos eletrônicos - fornecem uma imagem borrada de raios-X. "É como combinar muitos rostos diferentes em uma imagem composta, "Headrick diz, "ou tentando ver como é a aparência de um carro comum observando o tráfego acelerado ao longo de uma rodovia."

Em uma nova abordagem, Headrick e os outros cientistas, com o apoio do Departamento de Energia dos EUA, imponha ordem aos raios X quando não houver ordem no que eles estão olhando. Eles usaram raios X coerentes (pense em raios X viajando em uma banda marcial) para recuperar algumas das informações de suas fotos. Assim como o radar detecta a velocidade de um indivíduo na rodovia, eles pescaram as velocidades distintas de pequenos grupos de átomos do sinal de raios-X em massa que eles estavam brilhando em um fluxo de átomos em movimento. E nesse novo tipo de imagem de raio-X, eles descobriram vazios e minúsculos poros que se formam ao fazer dois tipos de filmes finos com silício e tungstênio - e como esses vazios e poros se movem.

Sua descoberta promete melhorar as técnicas industriais para tornar mais suave, filmes finos mais perfeitos - que têm milhares de aplicações comerciais, de painéis solares a sistemas de distribuição de drogas, chips de computador em sacos de batatas fritas.

Mas muito mais importante, Notas do Headrick, a pesquisa abre uma nova maneira de ver muitos tipos de aglomerados complexos de átomos em movimento, não apenas cristais bem organizados.

"Podemos ver esses defeitos em nanoescala se formarem no filme enquanto estão sendo feitos, "Diz Headrick. Os cientistas ficaram surpresos por terem conseguido criar uma visão não apenas da rugosidade da superfície do filme, mas também a estrutura interior. Isso é importante, pois a qualidade dos filmes finos pode ser fortemente afetada pela relação dinâmica entre como eles crescem na superfície - muitas vezes sendo pulverizados ou depositados no vácuo - e a estrutura dos átomos se formando abaixo da superfície.

"Descobrimos que existem dois tipos de defeitos, "Notas do Headrick, "um tipo que se move junto com a superfície e acredita-se que sejam nanocolunas que crescem com a superfície - e outro tipo que são vazios que não crescem com a superfície."

COMO CERVEJA

Para entender esses dois tipos de defeitos, sirva-se de um copo de cerveja e observe as bolhas. Alguns se movem em linhas finas através do líquido, viajando enquanto o topo da cerveja também sobe. Outras bolhas, preso na cabeça espumosa, estão presos no lugar enquanto mais pilhas de espuma em cima deles.

Agora imagine que essas bolhas são na verdade átomos únicos. As linhas de bolhas que se movem para cima enquanto a cerveja é servida são como as nanocolunas de átomos que Headrick e a equipe observaram com a nova técnica de raios-X. Os vazios no filme são como bolhas presas na espuma da cerveja.

O autor principal do artigo é o aluno de graduação de Headrick, Jeffrey Ulbrandt. Juntos, eles colaboraram com pesquisadores da Boston University, incluindo o físico Karl Ludwig, e cientistas do Laboratório Nacional de Argonne, para fazer a descoberta. Usando uma grande máquina chamada síncrotron na Fonte Avançada de Fótons de Argonne, eles foram capazes de direcionar ondas altamente organizadas de raios-X para os filmes. Imaginado com esses raios-X coerentes, objetos desordenados - como a superfície áspera e o interior desordenado de um filme de silício - podem ser detectados em um padrão complexo de manchas que é feito no detector de raios-X. "Este padrão de manchas contém informações detalhadas sobre as formas e espaçamentos da coleção de objetos, "Headrick explica.

AJUSTE DE RAIOS X

Esses raios-X coerentes também podem detectar movimento, rastreando grupos jiggling e swarming de átomos que estão se movendo de forma independente e errática. O novo estudo empurra essa percepção para a frente. Os cientistas pegaram uma onda espalhada de raios-X refletindo na superfície áspera do filme fino que está sendo depositado em uma câmara de vácuo - e misturou-a com uma onda espalhada de raios-X saindo dos defeitos desordenados - as nanocolunas e vazios - formando-se em e abaixo da superfície do filme.

Essas duas ondas mistas funcionam um pouco como uma arma de radar. As ondas da superfície formam uma referência de velocidade - enquanto as ondas subterrâneas formam um sinal muito menor misturado a essa onda de referência. Os cientistas observaram o padrão pontilhado de raios-X espalhando-se pela superfície crescente dos filmes finos, ficando mais espesso a uma taxa conhecida. Em seguida, eles mediram como esse padrão pontilhado oscilava ao interagir com os raios X refletindo nos defeitos e no interior. Essas oscilações ("como um diapasão vibrando, "Headrick diz) são causados ​​por átomos em velocidades diferentes, o que deu à equipe uma medida sensível das velocidades relativas dos átomos em movimento. Mas, em vez de 55 mph, a superfície do filme fino cresce a alguns Angstroms por segundo. Alguns dos defeitos crescem com ele, enquanto outros ficam na nanodust.

"Este é um novo efeito de raio-X, "Randy Headrick diz, "que nos permite sentir a matéria desordenada em movimento - em escala atômica."