A forma e a altura do cristal de um material conhecido como PTCDA, com a altura representada pelo sombreamento (o branco é mais alto, o laranja mais escuro é o mais baixo). A barra de escala branca representa 500 nanômetros. A ilustração na parte inferior é uma representação da forma do cristal. Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
Detalhando a composição molecular de materiais - de células solares a diodos emissores de luz orgânicos (LEDs) e transistores, e proteínas medicamente importantes - nem sempre é um processo cristalino.
Para entender como os materiais funcionam nessas escalas microscópicas, e para criar materiais de melhor qualidade para melhorar sua função, é necessário não apenas saber tudo sobre sua composição, mas também seu arranjo molecular e imperfeições microscópicas.
Agora, uma equipe de pesquisadores que trabalha no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) demonstrou imagens infravermelhas de um semicondutor orgânico conhecido por suas capacidades eletrônicas, revelando os principais detalhes em nanoescala sobre a natureza de suas formas e orientações de cristal, e defeitos que também afetam seu desempenho.
Para alcançar este avanço na imagem, pesquisadores do Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) e da University of Colorado-Boulder (CU-Boulder) combinaram o poder da luz infravermelha do ALS e da luz infravermelha de um laser com uma ferramenta conhecida como microscópio de força atômica. O ALS, um síncrotron, produz luz em uma faixa de comprimentos de onda ou "cores" - do infravermelho aos raios X - acelerando os feixes de elétrons próximos à velocidade da luz nas curvas.
Os pesquisadores focaram ambas as fontes de luz infravermelha na ponta do microscópio de força atômica, que funciona um pouco como uma agulha de toca-discos - ela se move pela superfície de um material e mede as características mais sutis da superfície à medida que sobe e desce.
A tecnica, detalhado em uma edição recente da revista Avanços da Ciência , permite que os pesquisadores sintonizem a luz infravermelha em ligações químicas específicas e seu arranjo em uma amostra, mostrar recursos de cristal detalhados, e explorar o ambiente químico em nanoescala em amostras.
"Nossa técnica é amplamente aplicável, "disse Hans Bechtel, um cientista ALS." Você poderia usar isso para muitos tipos de material - a única limitação é que tem que ser relativamente plano "para que a ponta do microscópio de força atômica possa se mover através de seus picos e vales.
Os pesquisadores mediram a orientação molecular dos cristais (cinza claro e branco) em amostras de um material semicondutor conhecido como PTCDA. A barra de escala é de 500 nanômetros. Os pontos coloridos correspondem à orientação dos cristais na barra de cores à esquerda. As figuras à esquerda mostram a ponta do microscópio de força atômica em relação às diferentes orientações do cristal. Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
Markus Raschke, um professor da CU-Boulder que desenvolveu a técnica de imagem com Eric Muller, um pesquisador de pós-doutorado em seu grupo, disse, "Se você conhece a composição molecular e a orientação desses materiais orgânicos, pode otimizar suas propriedades de uma maneira muito mais direta.
"Este trabalho está informando o design de materiais. A sensibilidade dessa técnica vai de uma média de milhões de moléculas a algumas centenas, e a resolução da imagem está indo da escala de mícrons (milionésimos de polegada) para a nanoescala (bilionésimos de uma polegada), " ele disse.
A luz infravermelha do síncrotron forneceu a banda larga essencial do espectro infravermelho, o que o torna sensível a muitas ligações químicas diferentes ao mesmo tempo e também fornece a orientação molecular da amostra. O laser infravermelho convencional, com sua alta potência, mas estreita faixa de luz infravermelha, Enquanto isso, permitiu que os pesquisadores ampliassem ligações específicas para obter imagens muito detalhadas.
"Nem o síncrotron ALS nem o laser sozinho teriam nos dado esse nível de percepção microscópica, "Raschke disse, enquanto a combinação das duas forneceu uma poderosa sonda "maior do que a soma de suas partes".
Raschke há uma década explorou pela primeira vez a nanoespectroscopia infravermelha baseada em síncrotron usando o síncrotron BESSY em Berlim. Com a ajuda dele e dos cientistas da ALS Michael Martin e Bechtel, o ALS em 2014 se tornou o primeiro síncrotron a oferecer imagens infravermelhas em nanoescala para cientistas visitantes.
A técnica é particularmente útil para o estudo e compreensão dos chamados "materiais funcionais" que possuem fotônicos especiais, eletrônico, ou propriedades de conversão ou armazenamento de energia, ele notou.
Em princípio, ele adicionou, o novo avanço na determinação da orientação molecular poderia ser adaptado aos estudos biológicos de proteínas. "A orientação molecular é crítica para determinar a função biológica, "Raschke disse. A orientação das moléculas determina como a energia e carga fluem através das membranas celulares para materiais de conversão de energia solar molecular.
A luz infravermelha (rosa) produzida pelo síncrotron Advanced Light Source do Berkeley Lab (canto superior esquerdo) e um laser convencional (centro esquerdo) é combinada e focada na ponta de um microscópio de força atômica (cinza, inferior direito), onde é usado para medir detalhes em nanoescala em uma amostra de cristal (vermelho escuro). Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
A Bechtel disse que a técnica infravermelha permite resolução de imagem até cerca de 10-20 nanômetros, que pode resolver recursos de até 50, 000 vezes menor que um grão de areia.
A técnica de imagem usada nesses experimentos, conhecido como "microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento, "ou s-SNOM, essencialmente usa a ponta do microscópio de força atômica como uma antena ultrassensível, que transmite e recebe luz infravermelha focada na região do ápice da ponta. Luz dispersa, capturado da ponta à medida que se move sobre a amostra, é gravado por um detector para produzir imagens de alta resolução.
"Não é invasivo, e fornece informações sobre vibrações moleculares, "conforme a ponta do microscópio se move sobre a amostra, Bechtel disse. Os pesquisadores usaram a técnica para estudar as características cristalinas de um material semicondutor orgânico conhecido como PTCDA (dianidrido perilenotetracarboxílico).
Os pesquisadores relataram que observaram defeitos na orientação da estrutura cristalina do material que fornecem uma nova compreensão do mecanismo de crescimento dos cristais e podem auxiliar no projeto de dispositivos moleculares usando este material.
A nova capacidade de imagem prepara o terreno para um novo National Science Foundation Center, anunciado no final de setembro, que liga CU-Boulder com Berkeley Lab, UC Berkeley, Florida International University, UC Irvine, e Fort Lewis College em Durango, Colo. O centro combinará uma variedade de métodos de imagem microscópica, incluindo aqueles que usam elétrons, Raios X, e luz, em uma ampla gama de disciplinas.
Este centro, apelidado de STROBE for Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging, será liderado por Margaret Murnane, um distinto professor da CU-Boulder, com Raschke atuando como co-líder.
No Berkeley Lab, O STROBE será atendido por uma gama de recursos ALS, incluindo as linhas de luz infravermelho gerenciadas pela Bechtel e Martin e uma nova linha de luz apelidada de COSMIC (para "espalhamento coerente e microscopia"). Ele também se beneficiará das ferramentas de análise de dados desenvolvidas pelo Berkeley Lab.
