Uma imagem com contraste z de um cristal água-marinha em resolução atômica usando o microscópio ASTEM. As setas amarelas marcam os íons de césio nos poros do cristal. Crédito:FELMI-ZFE Além de seus componentes principais, as propriedades dos materiais cristalinos e nanoporosos muitas vezes dependem crucialmente de átomos ou íons convidados que estão embutidos nos minúsculos poros de sua estrutura reticular. Isto se aplica a materiais de alta tecnologia usados em sensores ou tecnologia de separação, bem como a materiais naturais. A pedra preciosa azulada água-marinha, por exemplo, seria incolor sem esses componentes convidados.
Determinar o tipo e a posição dos componentes convidados é difícil, pois muitos materiais reagem de forma sensível às emissões de radiação dos microscópios eletrônicos.
Graças a um novo método desenvolvido por uma equipe liderada por Daniel Knez e Ferdinand Hofer no Instituto de Microscopia Eletrônica e Nanoanálise da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz), isso agora pode ser feito com menos radiação e, portanto, é muito mais fácil. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista Communications Materials.
“A singularidade do nosso método reside no fato de que podemos determinar a distribuição tridimensional de íons em canais de cristal ou nanoporos com base em uma única imagem de microscópio eletrônico”, diz Daniel Knez.
A misteriosa cor azul da água-marinha
Os pesquisadores desenvolveram seu método enquanto analisavam a pedra preciosa água-marinha. Até agora, não se sabia exatamente onde estava posicionado no cristal o ferro que dá à pedra sua cor azul.
Uma hipótese era que átomos de ferro individuais ficam presos nos poros e criam esse efeito a partir daí. Mas isso agora foi refutado. Nas suas experiências, os investigadores estabeleceram sem sombra de dúvida que não há ferro nos poros, mas sim iões de césio. Os átomos de ferro que conferem cor estão localizados próximos aos íons de césio, mas estão integrados nas colunas da rede cristalina.
Ferdinand Hofer (esquerda) e Daniel Knez ao lado do Microscópio Eletrônico de Transmissão de Varredura Austríaco (ASTEM) no Instituto de Microscopia Eletrônica e Nanoanalítica da TU Graz. Crédito:Lunghammer—TU Graz
Uma única imagem com resolução atômica como base
Para seus experimentos, os pesquisadores registraram uma chamada imagem de contraste Z do cristal água-marinha em resolução atômica usando o microscópio ASTEM, um microscópio eletrônico de transmissão de varredura. O feixe de elétrons do microscópio ASTEM é focado na superfície da amostra de cristal, penetrando também nos poros do material. Se atingir os íons armazenados ali, eles aparecerão como pontos brilhantes na imagem.
Com base na força do contraste com os poros vazios e as estruturas de rede vizinhas, os pesquisadores podem determinar o tipo de íons incorporados e também estimar a profundidade em que estão localizados nos poros.
Esses dados foram analisados estatisticamente e comparados com um grande número de simulações da estrutura cristalina para poder estimar os diversos fatores que influenciam o sinal medido.
Método inovador abre novas possibilidades para a ciência dos materiais
Além da pesquisa básica, o novo método também é adequado para o desenvolvimento direcionado de novos materiais. "Nosso método pode ser usado para determinar com precisão a posição de elementos dopantes, ou seja, aditivos de controle de função direcionados, em materiais nanoporosos, como zeólitas ou compostos de estrutura metal-orgânica", diz Ferdinand Hofer.
Isso facilita a otimização de catalisadores (de átomo único) e eletrólitos de estado sólido em futuras baterias ou o desenvolvimento de aplicações biomédicas para controlar a absorção de medicamentos.
