p Os cientistas usaram um dos microscópios eletrônicos mais poderosos do mundo para mapear a localização precisa e o tipo químico de 23, 000 átomos em uma partícula extremamente pequena feita de ferro e platina. p A reconstrução 3-D revela o arranjo dos átomos em detalhes sem precedentes, permitindo aos cientistas medir a ordem química e a desordem em grãos individuais, que lança luz sobre as propriedades do material no nível de um único átomo. As percepções obtidas com a estrutura da partícula podem levar a novas maneiras de melhorar seu desempenho magnético para uso em alta densidade, discos rígidos de última geração.

p O que mais, a técnica usada para criar a reconstrução, tomografia eletrônica atômica (que é como uma tomografia computadorizada de alta resolução incrivelmente), estabelece as bases para o mapeamento preciso da composição atômica de outras nanopartículas úteis. Isso pode revelar como otimizar as partículas para catalisadores mais eficientes, materiais mais fortes, e marcadores fluorescentes para detecção de doenças.

p Dados microscópicos foram obtidos e analisados ​​por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) na Fundição Molecular, em colaboração com usuários do Foundry da UCLA, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e a Universidade de Birmingham do Reino Unido. A pesquisa foi publicada em 2 de fevereiro no jornal Natureza .

p Os átomos são os blocos de construção da matéria, e os padrões em que estão dispostos ditam as propriedades de um material. Esses padrões também podem ser explorados para melhorar muito a função de um material, é por isso que os cientistas estão ansiosos para determinar a estrutura 3-D das nanopartículas na menor escala possível.

p "Nossa pesquisa é um grande passo nessa direção. Agora podemos tirar um instantâneo que mostra as posições de todos os átomos em uma nanopartícula em um ponto específico de seu crescimento. Isso nos ajudará a aprender como as nanopartículas crescem átomo por átomo, e prepara o terreno para uma abordagem de design de materiais a partir dos menores blocos de construção, "diz Mary Scott, que conduziu a pesquisa enquanto era usuária da Foundry, e que agora é um cientista da equipe. Scott e seus colegas cientistas da Foundry Peter Ercius e Colin Ophus desenvolveram o método em estreita colaboração com Jianwei Miao, um professor de física e astronomia da UCLA.

p Sua reconstrução de nanopartículas se baseia em uma conquista relatada no ano passado, em que mediram as coordenadas de mais de 3, 000 átomos em uma agulha de tungstênio com uma precisão de 19 trilionésimos de metro (19 picômetros), que é muitas vezes menor do que um átomo de hidrogênio. Agora, eles tiveram a mesma precisão, adicionou a capacidade de distinguir diferentes elementos, e ampliou a reconstrução para incluir dezenas de milhares de átomos.

p Mais importante, seu método mapeia a posição de cada átomo em um único, nanopartícula única. Em contraste, A cristalografia de raios X e a microscopia crioeletrônica representam a posição média dos átomos de muitas amostras idênticas. Esses métodos fazem suposições sobre o arranjo dos átomos, o que não é um bom ajuste para nanopartículas porque não existem duas iguais.

p "Precisamos determinar a localização e o tipo de cada átomo para entender verdadeiramente como uma nanopartícula funciona em escala atômica, "diz Ercius.

p Uma abordagem de EQUIPE

p A mais recente realização dos cientistas girou em torno do uso de um dos microscópios eletrônicos de transmissão de mais alta resolução do mundo, chamado TEAM I. Ele está localizado no National Center for Electron Microscopy, que é uma instalação de fundição molecular. O microscópio varre uma amostra com um feixe de elétrons focalizado, e então mede como os elétrons interagem com os átomos na amostra. Ele também tem um estágio controlado por piezo que posiciona as amostras com estabilidade e precisão de controle de posição incomparáveis.

p Os pesquisadores começaram a cultivar uma nanopartícula de ferro-platina a partir de seus elementos constituintes, e então interrompeu o crescimento da partícula antes de estar totalmente formada. Eles colocaram a partícula "parcialmente cozida" no estágio TEAM I, obteve uma projeção 2-D de sua estrutura atômica, girou alguns graus, obteve outra projeção, e assim por diante. Cada projeção 2-D fornece um pouco mais de informações sobre a estrutura 3-D completa da nanopartícula.

p Eles enviaram as projeções para Miao na UCLA, que usou um algoritmo de computador sofisticado para converter as projeções 2-D em uma reconstrução 3-D da partícula. As coordenadas atômicas individuais e os tipos químicos foram então traçados a partir da densidade 3-D com base no conhecimento de que os átomos de ferro são mais leves do que os átomos de platina. A estrutura atômica resultante contém 6, 569 átomos de ferro e 16, 627 átomos de platina, com as coordenadas de cada átomo precisamente plotadas para menos do que a largura de um átomo de hidrogênio.

p Traduzir os dados em percepções científicas

p Características interessantes surgiram nesta escala extrema depois que os cientistas da Molecular Foundry usaram o código que desenvolveram para analisar a estrutura atômica. Por exemplo, a análise revelou ordem química e desordem em grãos entrelaçados, em que os átomos de ferro e platina estão dispostos em padrões diferentes. Isso tem grandes implicações em como a partícula cresceu e em suas propriedades magnéticas do mundo real. A análise também revelou defeitos de um único átomo e a largura dos limites desordenados entre os grãos, o que não era possível anteriormente em fronteiras 3D complexas.

p "O importante problema da ciência dos materiais que estamos enfrentando é como esse material se transforma a partir de uma estrutura altamente aleatória, o que chamamos de estrutura quimicamente desordenada, em uma estrutura regular altamente ordenada com as propriedades magnéticas desejadas, "diz Ophus.

p Para explorar como os vários arranjos de átomos afetam as propriedades magnéticas das nanopartículas, cientistas do Oak Ridge National Laboratory do DOE executaram cálculos de computador no supercomputador Titan no ORNL - usando as coordenadas e o tipo químico de cada átomo - para simular o comportamento da nanopartícula em um campo magnético. Isso permitiu que os cientistas vissem padrões de átomos que são muito magnéticos, o que é ideal para discos rígidos. Eles também viram padrões com propriedades magnéticas fracas que poderiam prejudicar o desempenho de um disco rígido.

p "Isso pode ajudar os cientistas a aprender como orientar o crescimento de nanopartículas de ferro-platina para que desenvolvam padrões de átomos mais magnéticos, "diz Ercius.

p Adiciona Scott, "Mais amplamente, a técnica de imagem vai lançar luz sobre a nucleação e crescimento de fases ordenadas dentro das nanopartículas, que não é totalmente compreendido teoricamente, mas é extremamente importante para várias disciplinas científicas e tecnologias. "