Cientistas obtêm a imagem mais detalhada dos átomos até hoje

Os pesquisadores da Cornell University capturaram uma amostra de um cristal em três dimensões e a ampliaram 100 milhões de vezes, dobrando a resolução que rendeu aos mesmos cientistas um Recorde Mundial do Guinness em 2018. Seu trabalho pode ajudar a desenvolver materiais para projetar telefones, computadores e computadores mais poderosos e eficientes outros eletrônicos, bem como baterias mais duradouras.

Os pesquisadores obtiveram a imagem por meio de uma técnica chamada de pticografia eletrônica. Envolve o disparo de um feixe de elétrons, cerca de um bilhão deles por segundo, em um material alvo. O feixe se move infinitesimalmente conforme os elétrons são disparados, então eles atingem a amostra de ângulos ligeiramente diferentes a cada vez – às vezes eles passam de forma limpa e outras vezes eles atingem átomos e saltam dentro da amostra ao sair.

O físico de Cornell David Muller, cuja equipe conduziu o estudo recente, compara a técnica a jogar queimada contra oponentes que estão no escuro. As bolas de queimada são elétrons e os alvos são átomos individuais. Embora Muller não possa ver os alvos, ele podeveja onde os “dodgeballs” vão, graças aos detectores avançados. Com base no padrão de manchas gerado por bilhões de elétrons, os algoritmos de aprendizado de máquina podem calcular onde os átomos estavam na amostra e quais seriam suas formas.

Anteriormente, a picografia eletrônica era usada apenas para obter imagens de amostras extremamente planas: aquelas com apenas um a alguns átomos de espessura. O novo estudo, publicado na Science, agora permite capturar várias camadas com dezenas a centenas de átomos de espessura.

Isso torna a técnica muito mais relevante para cientistas de materiais, que normalmente estudam as propriedades de amostras com espessura de cerca de 30 a 50 nanômetros. (Esse intervalo é menor do que o comprimento de suas unhas crescem em um minuto, mas muitas vezes mais espesso do que a tipografia eletrônica poderia imaginar no passado.) “Eles podem realmente olhar para pilhas de átomos agora, então é incrível”, diz Andrew Maiden, um engenheiro da Universidade de Sheffield, na Inglaterra, que ajudou a desenvolver a tipicografia, mas não estava envolvido com o novo estudo. “A resolução é simplesmente impressionante.”

Isso marca um importante avanço no mundo da microscopia eletrônica. Inventados no início da década de 1930, os microscópios eletrônicos padrão tornaram possível ver objetos como o poliovírus, que são menores do que os comprimentos de onda da luz visível.

Mas os microscópios eletrônicos tinham um limite: aumentar sua resolução exigia o aumento da energia do feixe de elétrons – e eventualmente a energia necessária se tornaria tão grande que danificaria a amostra. Uma forma de evitar esse problema era a pticografia, que os pesquisadores desenvolveram teoricamente na década de 1960.

Mas, por causa das limitações dos detectores e da capacidade computacional, bem como da complexa matemática necessária, demorou décadas para que a técnica fosse posta em prática. As primeiras versões funcionavam apenas com luz visível e raios-x, não com os feixes de elétrons necessários para criar imagens de objetos de tamanho atômico. Enquanto isso, os cientistas continuavam encontrando maneiras de melhorar os microscópios eletrônicos, que funcionou tão bem que a picografia eletrônica não conseguiu acompanhar. “Você tinha que ser um verdadeiro crente na tipicografia para prestar atenção a ela”, diz Muller.

Foi apenas nos últimos anos que Muller e sua equipe desenvolveram um detector bom o suficiente para que a tipicografia eletrônica funcionasse experimentalmente. Em 2018, eles descobriram como reconstruir amostras bidimensionais com a técnica, produzindo “a imagem de maior resolução por qualquer método do mundo”, diz Muller – que conquistou o recorde mundial do Guinness. E os pesquisadores fizeram isso com um comprimento de onda de energia mais baixa do que outros métodos, permitindo que preservassem melhor suas amostras.

Amostras mais espessas, no entanto, apresentam vários desafios. Em vez de saltar apenas uma vez antes da detecção, uma onda de elétrons ricocheteia em torno dos átomos em uma amostra tridimensional. “Você sabe onde acabou, mas não sabe que caminho tomou no material”, diz Muller.

Esse pinball é chamado de “problema de dispersão múltipla”, e ele e sua equipe passaram os últimos anos tentando resolvê-lo. Com padrões de manchas sobrepostos e poder de computação suficientes, eles descobriram que podiam trabalhar no sentido inverso para determinar qual layout de átomos produzia um determinado padrão.

Os pesquisadores fizeram isso ajustando um modelo até que o padrão de manchas gerado fosse compatível com o produzido experimentalmente. Resolver o problema de espalhamento múltiplo é um grande avanço, diz Muller.

Essas técnicas de imagem de alta resolução são essenciais para o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos eletrônicos. Por exemplo, os pesquisadores estão procurando ir além dos chips de computador baseados em silício em busca de semicondutores mais eficientes.

Para que isso aconteça, os engenheiros precisam saber com o que estão trabalhando em nível atômico – o que significa tirar proveito de tecnologias como a tipicografia eletrônica. “Temos essas ferramentas lá, esperando para nos ajudar a otimizar o que se tornará a próxima geração de dispositivos”, disse J. Murray Gibson, reitor da Florida A&M University – Florida State University College of Engineering, que não estava envolvido no novo estudar. “Sem essas ferramentas, não poderíamos fazer isso.”

As baterias são uma área particularmente promissora para a aplicação de técnicas de imagem, como a pticografia eletrônica, diz Roger Falcone, físico da Universidade da Califórnia em Berkeley, que também não esteve envolvido na pesquisa. “Como fazemos a estrutura das baterias”, pergunta ele, “de modo que possam armazenar muita energia e ainda assim ser seguras?” Esta é uma questão essencial, especialmente para a transição dos combustíveis fósseis para as energias renováveis, incluindo a eólica e a solar. “As tecnologias de imagem são muito importantes para melhorar as baterias porque podemos observar as reações químicas em detalhes”, diz Falcone.

Mas ainda há um longo caminho a percorrer. Para que a picografia eletrônica leve a um novo avanço para o seu telefone celular ou laptop, ela deve fazer mais do que tirar uma foto – ela deve ser capaz de localizar com precisão um átomo individual em um material. Embora os pesquisadores tenham demonstrado como a técnica poderia fazer isso teoricamente, eles ainda não realizaram uma demonstração experimental. “Com qualquer nova técnica, sempre leva um pouco de tempo para seus colegas pesquisadores experimentarem e verem se ela se aplica a usos reais e práticos”, disse Leslie Thompson, ex-gerente de análise e caracterização de materiais da IBM Research – Almaden , que não estava envolvido no novo estudo.

“Na medida em que você inventa uma nova ferramenta como um microscópio de alta resolução, minha sensação é que você tende a se surpreender [com] o problema que ela é aplicada para resolver”, acrescenta Falcone. “As pessoas vão olhar para coisas que nem podemos imaginar agora – e resolver um problema que ainda não temos certeza de que temos.”

ScienceMag