p Cem anos atrás, "2d" significava dois centavos, ou 1 polegada, unha. Hoje, "2-D" abrange uma ampla gama de materiais planos atomicamente finos, muitos com propriedades exóticas não encontradas nos equivalentes a granel dos mesmos materiais, com o grafeno - a forma de carbono com um átomo de espessura - talvez o mais proeminente. Enquanto muitos pesquisadores do MIT e de outros lugares estão explorando materiais bidimensionais e suas propriedades especiais, Frances M. Ross, a professora Ellen Swallow Richards em Ciência e Engenharia de Materiais, está interessado no que acontece quando esses materiais 2-D e os materiais 3-D comuns se juntam. p "Estamos interessados ​​na interface entre um material 2-D e um material 3-D porque todo material 2-D que você deseja usar em um aplicativo, como um dispositivo eletrônico, ainda tem que falar com o mundo exterior, que é tridimensional, "Ross diz.

p "Estamos em um momento interessante porque há imensos desenvolvimentos em instrumentação para microscopia eletrônica, e há grande interesse em materiais com estruturas e propriedades controladas com muita precisão, e essas duas coisas se cruzam de uma forma fascinante, "diz Ross.

p "As oportunidades são muito empolgantes, "Ross diz." Vamos realmente melhorar as capacidades de caracterização aqui no MIT. "Ross é especialista em examinar como os materiais em nanoescala crescem e reagem em gases e meios líquidos, gravando filmes usando microscopia eletrônica. A microscopia de reações em líquidos é particularmente útil para compreender os mecanismos das reações eletroquímicas que governam o desempenho dos catalisadores, baterias, células de combustível, e outras tecnologias importantes. "No caso da microscopia de fase líquida, você também pode observar a corrosão onde as coisas se dissolvem, enquanto nos gases, você pode observar como os cristais individuais crescem ou como os materiais reagem com, dizer, oxigênio, " ela diz.

p Ross ingressou no corpo docente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) no ano passado, saindo do departamento de análise de materiais em nanoescala no IBM Thomas J. Watson Research Center. "Aprendi muito com meus colegas da IBM e espero estender nossa pesquisa em design de material e crescimento em novas direções, " ela diz.

p Gravando filmes

p Durante uma recente visita ao laboratório dela, Ross explicou uma configuração experimental doada ao MIT pela IBM. Um sistema de evaporador de ultra-alto vácuo chegou primeiro, para ser anexado mais tarde diretamente em um microscópio eletrônico de transmissão especialmente projetado. "Isso dá possibilidades poderosas, "Ross explica." Podemos colocar uma amostra no vácuo, limpe, fazer todo tipo de coisa, como aquecer e adicionar outros materiais, em seguida, transfira-o sob vácuo para o microscópio, onde podemos fazer mais experimentos enquanto gravamos imagens. Então nós podemos, por exemplo, depositar silício ou germânio, ou evaporar metais, enquanto a amostra está no microscópio e o feixe de elétrons está brilhando através dele, e estamos gravando um filme do processo. "

p Enquanto espera nesta primavera para o microscópio eletrônico de transmissão ser configurado, membros do grupo de pesquisa de sete membros de Ross, incluindo ciência de materiais e pós-doutorado em engenharia Shu Fen Tan e a estudante de graduação Kate Reidy, fez e estudou uma variedade de estruturas automontadas. O sistema do evaporador foi alojado temporariamente no espaço de prototipagem de quinto nível do MIT.nano enquanto o laboratório de Ross estava sendo preparado no Edifício 13. "O MIT.nano tinha os recursos e o espaço; ficamos felizes em poder ajudar, "diz Anna Osherov, MIT.nano diretor assistente de serviços ao usuário.

p "Todos nós estamos interessados ​​neste grande desafio da ciência dos materiais, que é:"Como você faz um material com as propriedades que deseja e, em particular, como você usa dimensões em nanoescala para ajustar as propriedades, e criar novas propriedades, que você não pode obter de materiais a granel? ”“ Ross diz.

p Usando o sistema de ultra-alto vácuo, a estudante de graduação Kate Reidy formou estruturas de ouro e nióbio em vários materiais 2-D. "Gold adora crescer em pequenos triângulos, "Ross observa." Temos conversado com pessoas na física e ciência dos materiais sobre quais combinações de materiais são as mais importantes para eles em termos de controle das estruturas e das interfaces entre os componentes, a fim de dar alguma melhoria nas propriedades de o material, "ela observa.

p Shu Fen Tan sintetizou nanopartículas de níquel-platina e as examinou usando outra técnica, microscopia eletrônica de células líquidas. Ela poderia providenciar para que apenas o níquel se dissolvesse, deixando para trás esqueletos pontiagudos de platina. "Dentro da célula líquida, somos capazes de ver todo esse processo em altas resoluções espaciais e temporais, "Diz Tan. Ela explica que a platina é um metal nobre e menos reativo que o níquel, portanto, nas condições certas, o níquel participa de uma reação de dissolução eletroquímica e a platina é deixada para trás.

p A platina é um catalisador bem conhecido em química orgânica e materiais de células de combustível, Notas bronzeadas, mas também é caro, portanto, é desejável encontrar combinações com materiais mais baratos, como o níquel.

p "Este é um exemplo da gama de reações de materiais que você pode obter imagens no microscópio eletrônico usando a técnica de célula líquida, "Ross diz." Você pode cultivar materiais; você pode gravá-los fora; você pode olhar para, por exemplo, formação de bolhas e movimento de fluidos. "

p Uma aplicação particularmente importante desta técnica é estudar o ciclo de materiais de bateria. "Obviamente, Eu não posso colocar uma bateria AA aqui, mas você pode configurar os materiais importantes dentro dessa célula de líquido muito pequena e, em seguida, pode alternar para frente e para trás e perguntar, se eu carregar e descarregar 10 vezes, O que acontece? Não funciona tão bem quanto antes - como falha? ", Pergunta Ross." Algum tipo de análise de falha e todos os estágios intermediários de carga e descarga podem ser observados na célula de líquido. "

p "Experimentos microscópicos em que você vê cada etapa de uma reação oferecem uma chance muito melhor de entender o que está acontecendo, "Ross diz.

p Padrões de moiré

p O aluno de graduação Reidy está interessado em como controlar o crescimento de ouro em materiais 2-D como o grafeno, disseleneto de tungstênio, e dissulfeto de molibdênio. Quando ela depositou ouro no grafeno "sujo", gotas de ouro acumuladas ao redor das impurezas. Mas quando Reidy cultivou ouro em grafeno que foi aquecido e limpo de impurezas, ela encontrou triângulos perfeitos de ouro. Depositar ouro em ambos os lados superior e inferior do grafeno limpo, Reidy viu no microscópio características conhecidas como padrões moiré, que são causados ​​quando as estruturas de cristal sobrepostas estão fora de alinhamento.

p Os triângulos de ouro podem ser úteis como estruturas fotônicas e plasmônicas. "Achamos que isso pode ser importante para muitas aplicações, e é sempre interessante para nós ver o que acontece, "Reidy diz. Ela está planejando estender seu método de crescimento limpo para formar cristais de metal 3-D em materiais 2-D empilhados com vários ângulos de rotação e outras estruturas de camadas mistas. Reidy está interessada nas propriedades do grafeno e do nitreto de boro hexagonal ( hBN), bem como dois materiais que são semicondutores em sua forma de camada única 2-D, dissulfeto de molibdênio (MoS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2). "Um aspecto muito interessante na comunidade de materiais 2-D são os contatos entre os materiais 2-D e os metais 3-D, "Reidy diz." Se eles querem fazer um dispositivo semicondutor ou um dispositivo com grafeno, o contato pode ser ôhmico para o caso de grafeno ou um contato Schottky para o caso de semicondutor, e a interface entre esses materiais é realmente, muito importante."

p "Você também pode imaginar dispositivos usando o grafeno apenas como uma camada espaçadora entre dois outros materiais, "Ross acrescenta.

p Para fabricantes de dispositivos, Reidy diz que às vezes é importante ter um material 3-D crescendo com seu arranjo atômico alinhado perfeitamente com o arranjo atômico na camada 2-D abaixo. Isso é chamado de crescimento epitaxial. Descrevendo uma imagem de ouro cultivado junto com prata no grafeno, Reidy explica, "Descobrimos que a prata não cresce epitaxialmente, não faz aqueles cristais únicos perfeitos em grafeno que queríamos fazer, mas primeiro depositando o ouro e depois depositando a prata em torno dele, podemos quase forçar a prata a assumir uma forma epitaxial porque ela deseja se conformar com o que seus vizinhos de ouro estão fazendo. "

p As imagens do microscópio eletrônico também podem mostrar imperfeições em um cristal, como ondulações ou dobras, Notas de Reidy. "Uma das grandes coisas sobre a microscopia eletrônica é que ela é muito sensível às mudanças no arranjo dos átomos, "Ross diz." Você poderia ter um cristal perfeito e tudo pareceria do mesmo tom de cinza, mas se você tiver uma mudança local na estrutura, mesmo uma mudança sutil, a microscopia eletrônica pode detectá-lo. Mesmo se a mudança ocorrer apenas nas poucas camadas superiores de átomos, sem afetar o resto do material abaixo, a imagem mostrará características distintas que nos permitem descobrir o que está acontecendo. "

p Reidy também está explorando as possibilidades de combinar nióbio - um metal que é supercondutor em baixas temperaturas - com um isolante topológico 2-D, telureto de bismuto. Os isolantes topológicos têm propriedades fascinantes, cuja descoberta resultou no Prêmio Nobel de Física em 2016. "Se você depositar nióbio sobre telureto de bismuto, com uma interface muito boa, você pode fazer junções supercondutoras. Estamos investigando a deposição de nióbio, e em vez de triângulos, vemos estruturas que têm uma aparência mais dendrítica, "Reidy diz. As estruturas dendríticas se parecem com os padrões de gelo formados no interior das janelas no inverno, ou os padrões de penas de algumas samambaias. Mudar a temperatura e outras condições durante a deposição de nióbio pode mudar os padrões que o material assume.

p Todos os pesquisadores estão ansiosos para que novos microscópios eletrônicos cheguem ao MIT.nano para dar mais informações sobre o comportamento desses materiais. “Muitas coisas acontecerão no próximo ano, as coisas já estão acelerando, e tenho ótimas pessoas com quem trabalhar. Um novo microscópio está sendo instalado agora no MIT.nano e outro chegará no próximo ano. Toda a comunidade verá os benefícios dos recursos aprimorados de caracterização de microscopia aqui, "Ross diz.

p Osherov do MIT.nano observa que dois microscópios eletrônicos de transmissão criogênica (crio-TEM) estão instalados e funcionando. "Nosso objetivo é estabelecer uma comunidade única centrada na microscopia. Nós encorajamos e esperamos facilitar uma polinização cruzada entre os pesquisadores crio-EM, focado principalmente em aplicações biológicas e material 'macio', bem como outras comunidades de pesquisa em todo o campus, ", diz ela. A mais recente adição de um microscópio eletrônico de transmissão de varredura com capacidades analíticas aprimoradas (monocromador de resolução de energia ultra-alta, Detector 4-D STEM, Detector Super-X EDS, tomografia, e vários detentores in situ) trazidos por John Chipman, Professor Associado de Ciência e Engenharia de Materiais James M. LeBeau, uma vez instalado, aumentará substancialmente as capacidades de microscopia do campus do MIT. "Consideramos o Professor Ross um recurso imenso para nos aconselhar sobre como moldar a abordagem in situ para medições usando a instrumentação avançada que será compartilhada e disponível para todos os pesquisadores dentro da comunidade do MIT e além, "Osherov diz.

p Canudinhos para beber

p "Às vezes você sabe mais ou menos o que vai ver durante um experimento de crescimento, mas muitas vezes há algo que você não espera, "Ross diz. Ela mostra um exemplo de nanofios de óxido de zinco que foram cultivados usando um catalisador de germânio. Alguns dos cristais longos têm um orifício no centro, criando estruturas que são como canudinhos, circular por fora, mas com um interior hexagonal. "Este é um único cristal de óxido de zinco, e a questão interessante para nós é por que as condições experimentais criam essas facetas dentro, enquanto o exterior é liso? "Ross pergunta." As nanoestruturas de óxido de metal têm tantas aplicações diferentes, e cada nova estrutura pode mostrar propriedades diferentes. Em particular, indo para a nanoescala, você tem acesso a um conjunto diversificado de propriedades. "

p "Em última análise, gostaríamos de desenvolver técnicas para o crescimento de estruturas bem definidas de óxidos de metal, especialmente se pudermos controlar a composição em cada local da estrutura, "Ross diz. A chave para esta abordagem é a automontagem, onde o material se constrói na estrutura que você deseja, sem ter que ajustar individualmente cada componente. "A automontagem funciona muito bem para certos materiais, mas o problema é que sempre há alguma incerteza, alguma aleatoriedade ou flutuações. Há pouco controle sobre as estruturas exatas que você obtém. Portanto, a ideia é tentar entender a automontagem bem o suficiente para ser capaz de controlá-la e obter as propriedades que deseja, "Ross diz.

p "Temos que entender como os átomos acabam onde estão, em seguida, use a capacidade de automontagem dos átomos para fazer a estrutura que desejamos. A maneira de entender como as coisas se montam é observando-as fazer isso, e isso requer filmes com alta resolução espacial e boa resolução de tempo, "Ross explica. A microscopia eletrônica pode ser usada para adquirir informações estruturais e composicionais e pode até medir campos de deformação ou campos elétricos e magnéticos." Imagine registrar todas essas coisas, mas em um filme onde você também controla como os materiais crescem dentro do microscópio. Depois de fazer um filme sobre algo acontecendo, você analisa todas as etapas do processo de crescimento e usa isso para entender quais princípios físicos foram os principais que determinaram como a estrutura se nucleava e evoluía e terminava daquela forma. "

p Direções futuras

p Ross espera trazer uma resolução única de alta resolução, TEM de alto vácuo com recursos para o crescimento de materiais de imagem e outros processos dinâmicos. Ela pretende desenvolver novos recursos para ambientes aquáticos e gasosos. Este microscópio personalizado ainda está em fase de planejamento, mas ficará situado em uma das salas do Imaging Suite em MIT.nano.

p "O professor Ross é um pioneiro neste campo, "Osherov diz." A maioria dos estudos TEM até agora têm sido estáticos, em vez de dinâmico. Com medições estáticas, você está observando uma amostra em um determinado instantâneo no tempo, para que você não obtenha nenhuma informação sobre como ele foi formado. Usando medições dinâmicas, você pode observar os átomos saltando de um estado para outro até que encontrem a posição final. A capacidade de observar processos de automontagem e crescimento em tempo real fornece valiosos insights mecanísticos. Estamos ansiosos para trazer esses recursos avançados para o MIT.nano ", diz ela.

p “Uma vez que determinada técnica é divulgada ao público, chama atenção, "Osherov diz." Quando os resultados são publicados, os pesquisadores expandem sua visão de design experimental com base nas capacidades de última geração disponíveis, levando a muitos novos experimentos que serão focados em aplicativos dinâmicos. "

p Os quartos do MIT.nano apresentam o espaço mais silencioso do campus do MIT, projetado para reduzir as vibrações e a interferência eletromagnética ao nível mais baixo possível. "Há espaço disponível para a professora Ross continuar sua pesquisa e desenvolvê-la ainda mais, "Osherov diz." A capacidade de monitorar in situ a formação da matéria e das interfaces encontrará aplicações em vários campos do campus, e levar a um novo impulso dos limites convencionais da microscopia eletrônica. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.