p Os cientistas desenvolveram uma nova abordagem para fazer compostos metal-metal e metais porosos com uma estrutura "bicontínua" interconectada 3-D em filmes finos em escalas de tamanho que variam de dezenas de nanômetros a mícrons. Materiais metálicos com esta morfologia esponjosa - caracterizada por duas fases coexistentes que formam redes interpenetrantes continuando no espaço - podem ser úteis na catálise, geração e armazenamento de energia, e sensoriamento biomédico. Chamado desalimentação interfacial de estado sólido de filme fino (SSID), a abordagem usa o calor para conduzir um processo de auto-organização no qual os metais se misturam ou se misturam para formar uma nova estrutura. Os cientistas usaram várias técnicas baseadas em elétrons e raios-X ("análise multimodal") para visualizar e caracterizar a formação da estrutura bicontínua. p "O aquecimento dá aos metais alguma energia para que eles possam se difundir e formar uma estrutura auto-sustentada termodinamicamente estável, "explicou Karen Chen-Wiegart, um professor assistente no Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Stony Brook University (SBU), onde ela lidera o Grupo de Pesquisa Chen-Wiegart, e um cientista da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - um Office of Science User Facility do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Brookhaven National Laboratory. "O SSID foi demonstrado anteriormente em amostras em massa (dezenas de mícrons e mais espessas), mas resulta em um gradiente de tamanho, com uma estrutura maior de um lado da amostra e uma estrutura menor do outro lado. Aqui, pela primeira vez, demonstramos com sucesso o SSID em um processamento de filme fino totalmente integrado, resultando em uma distribuição de tamanho homogênea em toda a amostra. Essa homogeneidade é necessária para criar nanoestruturas funcionais. "

p Chen-Wiegart é o autor correspondente em um artigo publicado online em Horizontes de materiais que é destaque na capa da edição do jornal online de 18 de novembro. As outras instituições colaboradoras são o Center for Functional Nanomaterials (CFN) - outro DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab - e o National Institute of Standards and Technology (NIST).

p Para demonstrar seu processo, os cientistas prepararam filmes finos de liga de magnésio (Mg) e ferro (Fe) e níquel (Ni) em substratos de wafer de silício (Si) na Instalação de Nanofabricação da CFN. Eles aqueceram as amostras a alta temperatura (860 graus Fahrenheit) por 30 minutos e, em seguida, resfriaram rapidamente até a temperatura ambiente.

p "Descobrimos que o Mg se difunde na camada de Fe-Ni, onde combina apenas com Ni, enquanto o Fe se separa do Ni, "disse o primeiro autor Chonghang Zhao, um Ph.D. Aluno do Grupo de Pesquisa Chen-Wiegart. "Essa separação de fases é baseada na entalpia, uma medição de energia que determina se os materiais estão se misturando "alegremente" ou não, dependendo de propriedades como sua estrutura cristalina e configurações de ligação. O nanocompósito pode ser tratado posteriormente para gerar uma estrutura nanoporosa através da remoção química de uma das fases. "

p Estruturas nanoporosas têm muitas aplicações, incluindo fotocatálise. Por exemplo, essas estruturas poderiam ser usadas para acelerar a reação em que a água é dividida em oxigênio e hidrogênio - um combustível de queima limpa. Como as reações catalíticas acontecem nas superfícies dos materiais, a alta área de superfície dos poros melhoraria a eficiência da reação. Além disso, porque os "ligamentos" nanométricos são inerentemente interconectados, eles não precisam de nenhum suporte para mantê-los juntos. Essas conexões podem fornecer caminhos eletricamente condutores.

p A equipe identificou a estrutura bicontínua desalisada de Fe e Ni-Mg por meio de técnicas de microscopia eletrônica complementar no CFN e técnicas de síncrotron de raios-X em duas linhas de luz NSLS-II:a Nanossonda de Raios-X Dura (HXN) e Linha de Luz para Medição de Materiais (BMM )

p "Usando o modo de varredura em um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), nós rasterizamos o feixe de elétrons sobre a amostra em locais específicos para gerar mapas elementares 2-D mostrando a distribuição espacial dos elementos, "explicou Kim Kisslinger, um associado técnico do grupo de pesquisa em Microscopia Eletrônica do CFN e o ponto de contato do instrumento.

p A equipe também usou TEM para obter padrões de difração de elétrons capturando a estrutura do cristal e um microscópio eletrônico de varredura (MEV) para estudar a morfologia da superfície.

p Esta análise inicial forneceu evidências da formação de uma estrutura bicontínua localmente em 2-D em alta resolução. Para confirmar ainda mais que a estrutura bicontínua era representativa de toda a amostra, a equipe voltou-se para a linha de luz HXN, que pode fornecer informações 3-D sobre uma região muito maior.

p "Com HXN, podemos nos concentrar muito, ou de alta energia, raios-x para um ponto muito pequeno de cerca de 12 nanômetros, "disse o co-autor e físico da HXN Xiaojing Huang." A resolução espacial líder mundial da microscopia de raios-X dura da HXN é suficiente para ver as menores estruturas da amostra, cujo tamanho varia de 20 a 30 nanômetros. Embora TEM forneça uma resolução mais alta, o campo de visão é limitado. Com o microscópio de raios-X, fomos capazes de observar as distribuições dos elementos 3-D dentro de uma área maior para que pudéssemos confirmar a homogeneidade. "

p As medições na HXN foram realizadas de forma multimodal, com a coleta simultânea de sinais de espalhamento de raios-X que revelam estrutura 3-D e sinais de fluorescência que são sensíveis ao elemento. Os átomos emitem fluorescência quando voltam ao estado de menor energia (fundamental) após serem excitados a um estado instável de alta energia em resposta à energia dos raios-X. Ao detectar essa fluorescência característica, os cientistas podem determinar o tipo e a abundância relativa dos elementos presentes em locais específicos.

p O co-autor e físico do NIST Synchrotron Science Group Bruce Ravel confirmou a composição química da amostra e obteve as formas químicas precisas (estados de oxidação) dos elementos na BMM, que é financiado e operado pelo NIST. Os espectros de absorção de raios-X da estrutura próxima à borda (XANES) também mostraram a presença de Fe puro.

p Agora que os cientistas mostraram que o SSID funciona em filmes finos, o próximo passo é abordar os eventos "parasitas" que eles identificaram no decorrer deste estudo. Por exemplo, eles descobriram que o Ni se difunde no substrato de Si, levando a vazios, uma espécie de defeito estrutural. Eles também farão estruturas de poros de compósitos metal-metal para demonstrar aplicações como fotocatálise, e aplicar sua abordagem a outros sistemas de metal, incluindo os baseados em titânio.