Pesquisadores da Northwestern University desenvolveram um novo método para hospedar moléculas de gás à medida que são analisadas em tempo real, usando estruturas em favo de mel encontradas na natureza como inspiração para uma membrana cerâmica ultrafina que incorporaram para envolver a amostra.



Além de inferir as assinaturas dos átomos de gás através de suas ligações únicas, a estratégia de encapsulamento funciona em microscópios eletrônicos de transmissão de alto vácuo (TEMs) para melhorar a imagem de nanoestruturas sólidas. Estas ferramentas podem ser utilizadas em todos os níveis, desde laboratórios nacionais que realizam investigação básica até start-ups inovadoras que criam aplicações práticas.

Quando os elétrons se afastam de seu caminho original ao passarem por uma amostra, a resolução e o contraste da imagem são degradados. Projetado por uma equipe de cientistas de materiais da Northwestern, o microchip de nitreto de silício resultante minimizou a dispersão de fundo.

"Nossa equipe desenvolveu uma membrana tão fina que os elétrons podem passar pelo nanorreator com o mínimo de distração", disse o cientista de materiais Vinayak Dravid. "Ancoramos uma película ultrafina de nitreto de silício em nossa estrutura em favo de mel que nos dá uma célula com membranas em ambos os lados."

O artigo foi publicado em 17 de janeiro na revista Science Advances .

Dravid, autor do artigo, é professor Abraham Harris de Ciência e Engenharia de Materiais na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e diretor fundador do Centro NUANCE, onde o trabalho foi conduzido. Ele também atua como diretor associado de iniciativas globais no Instituto Internacional de Nanotecnologia.

Juntamente com Xiaobing Hu, co-autor e professor associado de pesquisa no departamento de ciência e engenharia de materiais, e Kunmo Koo, primeiro autor e pesquisador associado no Centro NUANCE, a equipe de pesquisa Dravid desenvolveu a plataforma para células de gás usando uma membrana. -um quinto da espessura dos microchips disponíveis comercialmente.

As imagens de antes e depois mostrando as reações foram impressionantes.

"A espessura das membranas convencionais tende a ser muito grande para manter a integridade mecânica sob o vácuo extremamente alto que o microscópio cria", disse Dravid. “Imagine que eu tivesse que usar óculos muito grossos que absorvessem muita luz e, como resultado, não vejo muita coisa. As imagens que produzimos com nossa invenção parecem quase como o desembaçamento dos óculos.”

Dravid comparou a diferença com a do Telescópio Espacial James Webb, no qual corpos anteriormente invisíveis entraram em foco. É importante ressaltar que a membrana permitiu que a equipe usasse a espectroscopia para fazer uma análise "até um punhado de átomos de gás" - discernindo, por exemplo, uma diferença entre moléculas de aparência anteriormente idênticas, como o dióxido de carbono (CO₂ ) e monóxido de carbono (CO), que são essenciais nas tecnologias emergentes de energia limpa.

A espectroscopia permite aos pesquisadores ver como os elétrons interagem com os átomos que estão visualizando, vendo como eles absorvem, refletem ou emitem energias específicas enquanto revelam uma impressão digital espectroscópica única.

Desenvolver um método para analisar como as coisas mudam com o tempo, pressão e temperatura e ver como os fluidos interagem com nanopartículas é fundamental para tecnologias emergentes de energia limpa e baterias em nível molecular. Com este novo avanço, tecnologias aplicadas, como sistemas fotovoltaicos e de energia catalítica, podem ser melhor analisadas nas escalas de comprimento nano e eletrônico.

"A membrana cerâmica ultrafina pode ser aplicada a uma disciplina mais ampla, não apenas limitada à microscopia eletrônica", disse Hu. "Por exemplo, melhores resultados são esperados para caracterizações de luz ou raios X. E a estratégia pode ser amplamente estendida para diafragmas e componentes mecânicos que requerem baixa espessura, mas alta resistência mecânica."

Com a nova técnica, os pesquisadores podem ver resoluções de até cerca de 1,02 angstroms, em comparação com cerca de 2,36 angstroms em experimentos anteriores. A equipe disse ter alcançado a maior resolução espacial e visibilidade espectral registrada em seu campo até o momento.

Além dos microscópios, a equipe espera aplicar sua tecnologia de plataforma a outros problemas, já que a técnica de encapsulamento poderia ser aplicada a qualquer microchip ou técnica baseada em óptica.

“Em qualquer campo, quanto mais fino é melhor porque você obtém menos informações do recipiente grosso em comparação com o próprio objeto interno”, disse Koo.

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

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