Quando alguém inventa a palavra “ampliar”, ela se refere a aproximar objetos distantes ou a aumentar objetos pequenos em uma escala tangível. Não há dúvida de que o poder dos instrumentos de ampliação, independentemente da escala e da direção, pode levar ao avanço do campo científico. Desde o seu lançamento em 2021, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) embarcou numa missão para recolher dados sem precedentes do universo profundo, com o objetivo de alargar a nossa compreensão do universo primitivo e do ciclo de vida dos corpos celestes.



A analogia adequada para o JWST no mundo atômico é o microscópio eletrônico corrigido por aberração (ACEM). Ao aproveitar um elétron altamente coerente junto com um corretor de aberração, o microscópio se destaca na resolução de características subatômicas, permitindo uma exploração abrangente da relação estrutura-funcional nos materiais. Sendo um elemento básico para os navegadores do mundo nano, o moderno ACEM pode fornecer informações valiosas que permanecem insubstituíveis por outros métodos de caracterização.

A contradição surge da natureza dual dos elétrons de alta energia. A propriedade de onda do elétron permite imagens de alta resolução, enquanto sua propriedade de partícula torna as colisões inevitáveis. À medida que a partícula viaja através do gás à pressão ambiente, o seu caminho livre médio – a distância que podem percorrer antes de mudar substancialmente a sua direção ou energia original – é limitado apenas a aproximadamente 100 nm.

Colisões balísticas alteram a direção do elétron ou esgotam sua energia, prejudicando significativamente o desempenho da óptica eletrônica. Para evitar essas colisões, a coluna do microscópio é geralmente mantida sob condições de vácuo ultra-alto, que são de pelo menos 10 ¹⁰ vezes mais fino que o ar ambiente.

A natureza do ACEM restringe sua aplicabilidade a amostras estáticas, finas e sólidas. No entanto, os materiais abrangem vários estados da matéria além dos sólidos, incluindo líquidos, gases e plasmas. Para observar reações em nanoescala, é essencial encapsular o meio fluídico envolvido dentro de um nanorreator selado, evitando sua dissipação. A utilização da técnica de sistemas microeletromecânicos de nitreto de silício (MEMS) atende a essas necessidades especiais, permitindo aos pesquisadores explorar reações em nanoescala.

O filme de nitreto de silício, servindo como membrana de encapsulamento, pode ser convenientemente produzido com uma espessura na faixa de algumas dezenas de nanômetros utilizando processo químico de deposição de vapor. Estas películas apresentam uma resiliência razoável ao choque mecânico, particularmente quando têm mais do que uma certa espessura, embora exista uma relação de compromisso com a transparência electrónica.

Análogo a um aquário com parede de vidro com vários metros de espessura, que pode ser robusto o suficiente para conter grande quantidade de água, maximizar a visibilidade através do vidro torna-se um desafio. Portanto, a engenharia da “parede” é crucial para garantir uma visibilidade ideal tanto nos aquários como no recipiente de fluido para ACEM.

Para enfrentar este desafio, inspiramo-nos na colmeia, uma estrutura que resiste a elevados esforços mecânicos utilizando o mínimo de material. Nossa solução envolve a criação de um sistema de suporte hexagonal que preenche espaço usando silício fortemente dopado sob o nitreto de silício ultrafino, conseguindo isso com apenas 1/5 da espessura do método convencional.

A estrutura em forma de colmeia maximiza a abertura para observação das reações e proporciona resistência ideal sob estresse mecânico. Através desta descoberta ultrafina, a membrana pode ser reduzida a uma escala nanométrica de um dígito – aproximadamente 1/10.000 da espessura de um fio de cabelo humano, sem sofrer ruptura ou vazamentos no microscópio.

A transparência da membrana ultrafina permite o mapeamento de fluidos com resolução espacial subnanométrica e supressão significativa do espalhamento adverso de elétrons, uma capacidade não alcançável com materiais envolventes convencionais. Essa inovação permite sensibilidade na fase gasosa a ponto de detectar um punhado de moléculas de gás dentro do microscópio eletrônico de transmissão (TEM). Este nível de sensibilidade permite capturar reações que ocorrem na interface gás-sólido com resolução de tempo em escala de microssegundos.

Como exemplo ilustrativo, visualizamos a inserção de átomos de hidrogênio no metal paládio sob condições de temperatura e pressão ambiente. Esta tecnologia possui um imenso potencial para o desenvolvimento e investigação de nanocatalisadores para captura de carbono em fase gasosa, bem como para materiais energéticos, como células de combustível e baterias metal-ar, fornecendo insights em escala atômica. Nosso trabalho é publicado na revista Science Advances .

Embora opere numa escala e âmbito diferentes, traçamos um paralelo entre este desenvolvimento e as capacidades inovadoras do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que está a fornecer imagens e dados sem precedentes que desafiam as teorias cosmológicas. Além disso, propomos que esta estratégia inovadora para projetar microchips com membranas ultrafinas possa ser estendida a diversas aplicações onde as membranas finas servem como encapsulamentos e/ou materiais de suporte, com implicações que vão além do campo da nanociência.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

Mais informações: Kunmo Koo et al, Microchip de nitreto de silício ultrafino para microscopia in situ/operando com alta resolução espacial e visibilidade espectral, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417
Informações do diário: Avanços da ciência

Dr. Kunmo Koo é pesquisador associado do Centro NUANCE. Xiaobing Hu é professor associado de pesquisa no departamento de ciência e engenharia de materiais e gerente de instalações TEM no centro NUANCE. Vinayak P. Dravid é Professor Abraham Harris de Ciência e Engenharia de Materiais e diretor fundador do NUANCE Center.