A vida na nano-pista é rápida e acaba de ficar mais rápida em termos de conhecimento dos mecanismos fundamentais que funcionam em nanoescala - onde os processos são movidos por uma dança de partículas como átomos e íons com um bilionésimo de metro de tamanho.

Aprimorando a compreensão em nanoescala, uma equipe de pesquisadores chineses desenvolveu uma técnica de visualização baseada em microscopia eletrônica de transmissão (TEM) in situ que oferece novas e poderosas funcionalidades. Ele correlaciona diretamente a estrutura em escala atômica com propriedades físicas e químicas.

Os pesquisadores explicam como sua descoberta é importante para o design e fabricação da próxima geração de dispositivos tecnológicos nesta semana na revista. Cartas de Física Aplicada . Este trabalho tem aplicações potenciais que variam de janelas inteligentes baseadas em tecnologia eletrocrômica que mudam de tonalidade quando um campo elétrico é aplicado a uma superfície de janela, para alterar sua opacidade em resposta à voltagem, a novos dispositivos para gerenciamento de energia, informação e meio ambiente.

Pesquisador Xuedong Bai, Ph.D., do Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada e Instituto de Física de Pequim, Academia Chinesa de Ciências, e o Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, lidera uma equipe que também colabora com o International Center for Quantum Materials, Escola de Física, Universidade de Pequim.

"Atualmente, o mecanismo atômico de novos dispositivos para energia, informações e aplicações ambientais são uma questão importante, "disse Bai." A imagem em tempo real de processos atômicos em fenômenos físicos e químicos é a tarefa da técnica TEM in situ. Um dos objetivos de nossa pesquisa é compreender os princípios básicos dos dispositivos disponíveis em escala atômica, outro é explorar os dispositivos revolucionários baseados na imagem TEM in situ dos processos atômicos. "

Na tecnologia TEM ganhadora do prêmio Nobel, um feixe de elétrons - em vez de um feixe de luz usado em microscópios tradicionais - é transmitido através de um espécime de metal em estudo. Devido aos comprimentos de onda menores dos elétrons, A tecnologia TEM oferece aos investigadores uma resolução muito maior para que eles possam ver mais detalhes do que seria possível com um microscópio óptico.

Bai enfatiza que a relação entre estrutura e propriedade é um interesse fundamental na ciência dos materiais. Contudo, uma restrição para investigar esta relação é que a caracterização da estrutura e as medições das propriedades são geralmente realizadas separadamente, por métodos convencionais, especialmente para os materiais em nanoescala. Seu novo movimento envolveu a combinação dessas etapas.

"Nos últimos 15 anos, nosso trabalho tem se concentrado na construção e aplicações da técnica de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) in situ, portanto, as propriedades em nanoescala sob vários estímulos físicos, incluindo elétrica e óptica, foram estudados dentro do TEM, "Bai disse.

Em particular, a equipe se concentrou em um dos materiais eletroquímicos mais usados, óxido de tungstênio, e uma transição de fase crítica de sua produção. Usando sua técnica de TEM simplificada dentro de uma célula eletroquímica, seu microscópico, observações dinâmicas revelaram mecanismos detalhados em tempo real envolvidos na formação e evolução de nanofios de óxido de tungstênio eletroquímico que têm muitas aplicações na indústria.

Um dos aspectos mais interessantes de sua investigação foi investigar os processos de eletromigração de íons e sua transformação estrutural dinâmica induzida. Eles descobriram que estes estão intimamente relacionados com o desempenho eletroquímico, e ganhou uma visão sobre o amplo potencial para investigações de imagem TEM in situ.

"Propriedades novas e questões científicas importantes podem ser reveladas por imagens TEM in situ, por exemplo, o processo redox acionado eletricamente, o local de ocupação de átomos de lítio na operação de baterias de íon de lítio, e a transferência de massa na célula de reação eletromecânica, todos podem se beneficiar de imagens TEM in situ, "Bai disse.

Para a próxima etapa, os pesquisadores estão estendendo a técnica de imagem em escala atômica TEM in situ para combiná-la com espectroscopia óptica ultrarrápida. Com esta extensão, imagens de alta resolução no espaço e no tempo serão possíveis.