p Usar uma ferramenta familiar de uma forma que nunca foi planejada para ser usada abre um método totalmente novo para explorar materiais, relatório de pesquisadores da UConn em Proceedings of the National Academy of Science . Suas descobertas específicas podem algum dia criar chips de computador muito mais eficientes em termos de energia, mas a própria nova técnica poderia abrir novas descobertas em uma ampla gama de materiais. p Os microscópios de força atômica (AFM) arrastam uma ponta ultranítida pelos materiais, sempre tão perto, mas nunca tocando a superfície. A ponta pode sentir onde está a superfície, detectar forças elétricas e magnéticas produzidas pelo material. Passando-o metodicamente para frente e para trás, um pesquisador pode mapear as propriedades da superfície de um material da mesma forma que um topógrafo metodicamente percorre um pedaço de terra para mapear o território. AFMs podem fornecer um mapa dos buracos de um material, saliências, e propriedades em uma escala milhares de vezes menor do que um grão de sal.

p AFMs são projetados para investigar superfícies. A maior parte do tempo, o usuário tenta muito não bater no material com a ponta, pois isso pode danificar a superfície do material. Mas às vezes acontece. Alguns anos atrás, estudante de graduação Yasemin Kutes e Justin Luria, um pós-doutorado, estudando células solares no laboratório do professor de engenharia e ciência de materiais Brian Huey, cavou acidentalmente em sua amostra. No começo, pensando que era um erro irritante, eles notaram que as propriedades do material pareciam diferentes quando Kutes enfiou a ponta do AFM profundamente na vala que ela cavou acidentalmente.

p Kutes e Luria não o perseguiram. Mas outro estudante de graduação, James Steffes, foi inspirado a olhar mais de perto a ideia. O que aconteceria se você usasse intencionalmente a ponta de um AFM como um cinzel, e cavado em um material, ele se perguntou? Seria capaz de mapear as propriedades elétricas e magnéticas camada por camada, construindo uma imagem 3-D das propriedades do material da mesma forma que mapeou a superfície em 2-D? E as propriedades pareceriam diferentes no interior de um material?

p As respostas, Steffes, Huey, e seus colegas relatam em PNAS , são sim e sim. Eles cavaram em uma amostra de ferrita de bismuto (BiFeO3), que é um multiferróico à temperatura ambiente. Multiferroics são materiais que podem ter múltiplas propriedades elétricas ou magnéticas ao mesmo tempo. Por exemplo, a ferrita de bismuto é antiferromagnética - ela responde a campos magnéticos, mas no geral não exibe um pólo magnético Norte ou Sul - e ferroelétrico, o que significa que tem polarização elétrica comutável. Esses materiais ferroelétricos são geralmente compostos de pequenas seções, domínios chamados. Cada domínio é como um conjunto de baterias, todas com seus terminais positivos alinhados na mesma direção. Os clusters em cada lado desse domínio serão apontados em outra direção. Eles são muito valiosos para a memória do computador, porque o computador pode inverter os domínios, 'escrever' no material, usando campos magnéticos ou elétricos.

p Quando um cientista de materiais lê ou escreve informações em um pedaço de ferrita de bismuto, eles normalmente só podem ver o que acontece na superfície. Mas eles adorariam saber o que acontece abaixo da superfície - se isso for compreendido, pode ser possível transformar o material em chips de computador mais eficientes, que funcionam mais rápido e usam menos energia do que os disponíveis hoje. Isso poderia fazer uma grande diferença no consumo geral de energia da sociedade - já, 5 por cento de toda a eletricidade consumida nos Estados Unidos vai para computadores em funcionamento.

p Descobrir, Steffes, Huey, e o resto da equipe usou uma ponta de AFM para escavar meticulosamente uma película de ferrita de bismuto e mapear o interior, peça por peça. Eles descobriram que podiam mapear os domínios individuais até o fim, expondo padrões e propriedades que nem sempre eram aparentes na superfície. Às vezes, um domínio se estreitou até que desapareceu ou se dividiu em uma forma de y, ou mesclado com outro domínio. Ninguém jamais havia sido capaz de ver o interior do material dessa forma antes. Foi revelador, como olhar para uma tomografia computadorizada em 3-D de um osso quando você só era capaz de ler radiografias 2-D antes.

p "No mundo todo, há algo como 30, 000 AFMs já instalados. Uma grande fração deles vai tentar [mapeamento 3-D com] AFM em 2019, à medida que nossa comunidade percebe que está apenas arranhando a superfície esse tempo todo, "Huey prevê. Ele também acha que mais laboratórios comprarão AFMs agora, se o mapeamento 3-D funcionar para seus materiais, e alguns fabricantes de microscópio começarão a projetar AFMs especificamente para varredura 3-D.

p Steffes posteriormente se formou na UConn com seu Ph.D. e agora trabalha na GlobalFoundries, um fabricante de chips de computador. Pesquisadores da Intel, muRata, e em outros lugares também estão intrigados com o que o grupo descobriu sobre a ferrita de bismuto, à medida que procuram novos materiais para fazer a próxima geração de chips de computador. Equipe de Huey, Enquanto isso, agora está usando AFMs para explorar todos os tipos de materiais, do concreto ao osso e uma série de componentes de computador.

p "Trabalhando com parceiros acadêmicos e corporativos, podemos usar nosso novo insight para entender como projetar melhor esses materiais para usar menos energia, otimizar seu desempenho, e melhorar sua confiabilidade e vida útil - esses são exemplos do que os cientistas de materiais se esforçam para fazer todos os dias, "Huey diz.