IBM Alcança Marco: Primeira Imagem Atômica em Fase Líquida de Materiais 2D à Temperatura Ambiente

60 sonda STM metálica funcionalizada com C₆₀ nos laboratórios livres de ruído no Centro de Nanotecnologia Binnig e Rohrer. (Fonte: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)" />

Peter Nirmalraj investiga propriedades de materiais 2D em camadas usando sonda STM metálica funcionalizada com C₆₀ nos laboratórios livres de ruído no Centro de Nanotecnologia Binnig e Rohrer. (Fonte: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Mais de 35 anos após os laureados Nobel Gerd Binnig e Heinrich Rohrer inventarem o microscópio de tunelamento varredura, cientistas da IBM em Zurich alcançaram outro marco em imagem átomo a átomo — desta vez em ambientes líquidos.

Em parceria com pesquisadores da Universidade de Limerick, École Polytechnique Fédérale de Lausanne e Universidade de Massachusetts–Amherst, membros da equipe IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann e Heike Riel projetaram e demonstraram sonda STM molecular robusta que opera à temperatura ambiente em líquido, permitindo análise de materiais bidimensionais emergentes.

Isso representa o primeiro uso bem-sucedido de sonda STM molecular com resolução em escala Ångstrom em meio líquido sob condições padrão de laboratório, feito anteriormente limitado a ambientes de ultra-alto vácuo (UHV) ou criogênicos.

Os achados são detalhados no paper "Sonda molecular robusta para análise em escala Ångstrom em líquidos", publicado hoje no Nature Communications.

Conversei com Peter, especialista em ciência de superfície molecular e microscopia de sonda varredura em fase líquida, para saber mais sobre este avanço.

Qual elemento do design da sonda permitiu a alta resolução alcançada no seu paper?

Peter Nirmalraj: Transitamos de sonda STM de ouro não funcionalizada para terminação química da ponta com única molécula de C₆₀. Isso reduz reatividade do ápice e enriquece informação espacial obtida do material. Alcançar tal controle atômico em líquido à temperatura ambiente foi desafio significativo.

O que é particular à imagem sob condições padrão de laboratório, em oposição às condições UHV e criogênicas comuns?

PN: A dificuldade central reside em manter estabilidade da única molécula no ápice da ponta. Imagine uma montanha invertida coberta com uma cereja — esta escala captura a sensibilidade requerida. Enquanto condições criogênicas suprimem flutuações, à temperatura ambiente a molécula permanece energeticamente e dinamicamente ativa, levando à instabilidade. Nosso trabalho demonstra que sonda delicada pode ser estabilizada em líquidos de alta densidade que amortecem o movimento da molécula ancorada.

Da esquerda para direita: Sonda STM de ouro terminada em fulereno; único hexágono atômico de monocamada de grafeno realçando sítios de rede de carbono; estrutura atômica de dissulfeto de molibdênio 2D com espécies analisáveis seletivamente.

Quando o Fórum Econômico Mundial nomeou materiais 2D como uma das 10 principais tecnologias emergentes de 2016, a capacidade de sondá-los em resolução atômica em ambientes realistas tornou-se cada vez mais crítica. Conhecimento preciso de sua compatibilidade ambiental, robustez e propriedades eletrônicas é essencial para fabricantes de transistores de filme fino, eletrônica transparente e flexível.

"Nossa técnica permite identificação estrutural e eletrônica mais rápida e confiável de um corpo rapidamente crescente de materiais 2D."

—Peter Nirmalraj, cientista da IBM Research

Combinando a mais alta resolução alcançável com condições experimentalmente desafiadoras, desbloqueamos informação valiosa que diretamente informa engenharia de dispositivos baseados em materiais 2D.

Quais passos devem ser tomados para avançar imagem em interfaces líquido-sólido?

PN: O próximo marco é resolver elementos moleculares únicos com resolução sub-molecular. Experimental e teoricamente, devemos aprofundar entendimento dos mecanismos de acoplamento entre molécula ancorada na ponta e líquido circundante, e avaliar como influência eletrônica e estrutural da molécula melhora contraste espacial.

Sobre o autor: Millian Gehrer é estagiário de verão na IBM Research – Zurich, onde entrevista cientistas para aprender sobre seu trabalho e motivações. No outono, começará Ciência da Computação como graduando na Universidade de Princeton.