Um novo estudo de nanociência liderado por um pesquisador do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dá uma visão geral de como os cientistas estudam materiais em escalas menores.



O artigo, publicado em Science Advances , analisa trabalhos importantes em nanometrologia de subsuperfície, a ciência da medição interna em nível de nanoescala, e sugere que a detecção quântica pode se tornar a base para a próxima era de descobertas do campo. As aplicações potenciais podem variar desde o mapeamento de estruturas intracelulares para distribuição direcionada de medicamentos até a caracterização de materiais quânticos e nanoestruturas para o avanço da computação quântica.

“Nosso objetivo era definir o estado da arte e considerar o que foi feito e para onde precisamos ir”, disse Ali Passian, pesquisador sênior do ORNL e autor sênior do estudo.

“Todo mundo quer saber o que está abaixo da superfície dos materiais, mas descobrir o que realmente existe tende a ser incrivelmente desafiador em qualquer escala. Esperamos inspirar uma nova geração de cientistas a enfrentar este desafio, explorando fenômenos quânticos ou quaisquer que sejam as oportunidades mais promissoras. pode ser, para que possamos ampliar os limites da ciência de detecção e imagem em direção a maiores descobertas e compreensão."

As partículas em nanoescala atuam como blocos de construção da ciência quântica – pequenas o suficiente para permitir que os cientistas ajustem as principais propriedades dos materiais com a máxima precisão. Um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro, um milionésimo de milímetro e um milésimo de micrômetro. A folha média de papel, por exemplo, tem cerca de 100.000 nanômetros de espessura.

Passian e o co-autor Amir Payam, da Universidade de Ulster, sugerem que o nível em nanoescala pode ser não apenas onde intrincados conjuntos moleculares de sistemas biológicos, como as membranas celulares, se formam, mas também onde as dimensões de materiais emergentes, como metassuperfícies e materiais quânticos, se alinham. Até agora, é uma oportunidade pouco explorada, concluem.

Ferramentas inovadoras como o microscópio de varredura com sonda, que usa uma sonda de ponta afiada para inspecionar amostras em nível atômico, ajudaram a acelerar os avanços na nanometrologia de superfícies. Os estudos subterrâneos alcançaram menos avanços comparáveis, observam os autores.

“Todos os nossos sentidos estão voltados para as superfícies”, disse Passian. "Embora ainda seja difícil, estendemos nosso alcance à nanoescala, perturbando de alguma forma o material usando luz, som, elétrons e pequenas agulhas. Mas, uma vez lá, medir o que está abaixo permanece extremamente desafiador. Precisamos de novos métodos que nos permitam examinar o interior desses materiais, deixando-os intactos. A ciência quântica pode oferecer oportunidades aqui, particularmente a detecção quântica, onde, por exemplo, os estados quânticos da sonda, a luz e a amostra poderiam ser capitalizados.

Os autores sugerem que as técnicas de detecção quântica agora nos estágios iniciais de desenvolvimento podem ser a chave para avanços na exploração do subsolo. As sondas quânticas, por exemplo, poderiam empregar skyrmions – quasipartículas subatómicas criadas por perturbações em campos magnéticos e já em consideração para outras aplicações quânticas – para sondar mais profundamente do que qualquer técnica atual permite.

“As pessoas estão trabalhando duro para ultrapassar os limites da detecção e criar novas modalidades de medição”, disse Passian. "Acho que os próximos anos serão emocionantes em termos de materialização e implementação fácil dessas técnicas para alcançar a nanometrologia quântica de superfícies e regiões subterrâneas."

Mais informações: Amir Farokh Payam et al, Imaging Beyond the Surface Region:Probing Hidden Materials Via atomic Force Microscopy, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge