Imagens de átomos em cristais atômicos 2D em líquidos

Peter Nirmalraj investiga as propriedades de materiais em camadas 2D usando um C ₆₀ sonda STM de metal funcionalizada nos laboratórios sem ruído do Binnig and Rohrer Nanotechnology Center. (Fonte:Marcel Begert, IBM Research – Zurich)

Mais de 35 anos depois que os ganhadores do Prêmio Nobel da IBM Gerd Binnig e Heinrich Rohrer inventaram o microscópio de tunelamento de varredura (STM), os cientistas da IBM em Zurique alcançaram outro avanço no campo da metrologia e imagem átomo por átomo. Mas desta vez é em líquidos.

Em colaboração com cientistas da University of Limerick, da École Polytechnique Fédérale de Lausanne e da University of Massachusetts – Amherst, os cientistas da IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann e Heike Riel projetaram e demonstraram com sucesso o funcionamento de uma robusta sonda molecular STM - em um ecossistema líquido à temperatura ambiente para analisar materiais emergentes em camadas 2D.

Este trabalho representa uma conquista técnica pela primeira vez. Anteriormente, a imagem de materiais de baixa dimensão, como moléculas orgânicas e materiais 2D, usando uma sonda STM molecular com resolução espacial espetacular, era obtida sob ultra-alto vácuo (UHV), muitas vezes em condições criogênicas.

O artigo intitulado "Uma sonda molecular robusta para análises em escala de Ångstrom em líquidos", que apareceu hoje na Nature Communications , descreve a pesquisa e seus resultados.

Falei com Peter, que é especialista em ciência de superfície molecular e microscopia de varredura por sonda em líquidos, para saber mais sobre sua pesquisa.

Qual elemento do design da sonda permitiu a alta resolução que você alcançou em seu artigo?

Peter Nirmalraj: Deixamos de usar uma sonda STM de ouro não funcionalizada para terminar quimicamente o ápice da sonda STM com um único carbono-60 (C ₆₀ ) molécula, que reduz a reatividade do ápice da sonda e pode aumentar o conteúdo de informação espacial do material sob investigação. Até agora, esse nível de controle e escopo na informação átomo por átomo em materiais 2D não era trivial de se obter em líquidos à temperatura ambiente.

O que é particular para a geração de imagens em condições laboratoriais padrão, em oposição às condições comuns de UHV e criogênicas?

PN: O principal desafio está na estabilidade da única molécula no ápice da ponta da sonda. Imagine uma montanha invertida e coloque uma cereja em seu pico - essa é a escala com a qual estamos preocupados. Em condições criogênicas, o contato é muito mais estável porque tem flutuações mínimas, mas em temperatura ambiente a molécula é energética e dinamicamente ativa. Isso tende a resultar em um complexo de sonda de STM molecular instável. Aqui, mostramos que uma sonda delicada em temperatura ambiente pode ser estabilizada em líquidos de alta densidade, que são capazes de minimizar o movimento da molécula ancorada em torno do ápice da sonda de metal STM.

Da esquerda à direita:Sonda STM de ouro terminada em fulereno. Um hexágono atômico único de grafeno monocamada mostrando os sítios atômicos de carbono dentro da rede de grafeno. Estrutura atômica do dissulfeto de molibdênio 2D, onde as espécies atômicas podem ser analisadas seletivamente.



O Fórum Econômico Mundial elegeu os materiais 2D como uma das 10 principais tecnologias emergentes de 2016. Nesse contexto, qual é o significado da alta resolução com a qual você pode realizar imagens átomo por átomo de materiais 2D em líquidos?

PN: Uma melhor compreensão das propriedades dos materiais 2D extraídos em condições práticas se tornará decisiva se dispositivos robustos baseados em tais materiais emocionantes forem realizados. O conhecimento preciso de compatibilidade ambiental de materiais 2D, robustez ambiental e propriedades eletrônicas serviria como um grande benefício para os fabricantes de dispositivos, como transistores de película fina ou dispositivos eletrônicos transparentes e flexíveis baseados em materiais 2D.

“Nossa técnica permite uma impressão digital estrutural e eletrônica mais rápida e confiável de um corpo de materiais 2D em rápido crescimento.”

- Peter Nirmalraj, cientista de pesquisa da IBM

Ao ampliar a caracterização desses materiais, combinamos com sucesso a maior resolução possível até o momento em condições experimentalmente desafiadoras. Preencher essa lacuna dá às informações um grande valor e tem implicações diretas na engenharia de dispositivos com base em materiais 2D.

Quais etapas devem ser seguidas para avançar a imagem em interfaces líquido-sólido?

PN: O próximo teste consiste em aplicar esta técnica para resolver elementos moleculares únicos com resolução submolecular. Do ponto de vista experimental e teórico, precisamos entender mais sobre os mecanismos de acoplamento entre a molécula e a ponta na presença do meio líquido abrangente, e sobre o impacto eletrônico e estrutural da molécula, explorando as melhorias observadas no contraste espacial .

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Sobre o autor: Millian Gehrer é um estagiário de verão na IBM Research - Zurique, onde está entrevistando cientistas para aprender mais sobre seu trabalho e motivações. No outono, ele começará a estudar Ciência da Computação como graduação na Universidade de Princeton.