Un equipo científico dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha encontrado una nueva forma de tomar la temperatura local de un material de un área de aproximadamente una milmillonésima parte de un metro de ancho. o aproximadamente 100, 000 veces más delgado que un cabello humano.

Este descubrimiento publicado en Cartas de revisión física , promete mejorar la comprensión de los comportamientos físicos y químicos útiles pero inusuales que surgen en materiales y estructuras a nanoescala. La capacidad de tomar temperaturas a nanoescala podría ayudar a hacer avanzar los dispositivos microelectrónicos, materiales semiconductores y otras tecnologías, cuyo desarrollo depende del mapeo de las vibraciones a escala atómica debidas al calor.

El estudio utilizó una técnica llamada espectroscopia de ganancia de energía de electrones en un recién adquirido, instrumento especializado que produce imágenes con alta resolución espacial y gran detalle espectral. El instrumento de 13 pies de altura, fabricado por Nion Co., se llama HERMES, abreviatura de microscopio electrónico de transmisión por espectroscopia de pérdida de energía de electrones monocromáticos de resolución de alta energía.

Los átomos siempre están temblando. Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto más tiemblan los átomos. Aquí, Los científicos utilizaron el nuevo instrumento HERMES para medir la temperatura de nitruro de boro hexagonal semiconductor observando directamente las vibraciones atómicas que corresponden al calor en el material. El equipo incluyó socios de Nion (desarrollador de HERMES) y Protochips (desarrollador de un chip calefactor utilizado para el experimento).

"Lo más importante de este 'termómetro' que hemos desarrollado es que no es necesario calibrar la temperatura, "dijo el físico Juan Carlos Idrobo del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.

Otros termómetros requieren calibración previa. Para hacer marcas de graduación de temperatura en un termómetro de mercurio, por ejemplo, el fabricante necesita saber cuánto mercurio se expande a medida que aumenta la temperatura.

"HERMES de ORNL, en cambio, proporciona una medición directa de la temperatura a nanoescala, ", dijo Andrew Lupini de la División de Tecnología y Ciencia de Materiales de ORNL. El experimentador sólo necesita conocer la energía y la intensidad de una vibración atómica en un material, las cuales se miden durante el experimento.

Estas dos características se representan como picos, que se utilizan para calcular una relación entre la ganancia de energía y la pérdida de energía. "De esto obtenemos una temperatura, "Explicó Lupini." No necesitamos saber nada sobre el material de antemano para medir la temperatura ".

En 1966, También en Cartas de revisión física , H. Boersch, J. Geiger y W. Stickel publicaron una demostración de espectroscopía de ganancia de energía electrónica, a una escala de longitud mayor, y señaló que la medición debe depender de la temperatura de la muestra. Basado en esa sugerencia, el equipo de ORNL planteó la hipótesis de que debería ser posible medir la temperatura de un nanomaterial utilizando un microscopio electrónico con un haz de electrones "monocromático" o filtrado para seleccionar energías dentro de un rango estrecho.

Para realizar experimentos de espectroscopía de pérdida y ganancia de energía de electrones, los científicos colocan un material de muestra en el microscopio electrónico. El haz de electrones del microscopio atraviesa la muestra, con la mayoría de los electrones apenas interactuando con la muestra. En espectroscopía de pérdida de energía de electrones, el rayo pierde energía al pasar a través de la muestra, mientras que en la espectroscopia de ganancia de energía, los electrones obtienen energía al interactuar con la muestra.

"El nuevo HERMES nos permite observar pérdidas de energía muy pequeñas e incluso cantidades muy pequeñas de ganancia de energía por la muestra, que son aún más difíciles de observar porque es menos probable que sucedan, ", Dijo Idrobo." La clave de nuestro experimento es que los principios físicos estadísticos nos dicen que es más probable observar la ganancia de energía cuando la muestra se calienta. Eso es precisamente lo que nos permitió medir la temperatura del nitruro de boro. El microscopio electrónico monocromático permite esto a partir de volúmenes a nanoescala. La capacidad de sondear fenómenos físicos tan exquisitos a estas pequeñas escalas es la razón por la que ORNL compró el HERMES ".

Los científicos de ORNL están impulsando constantemente las capacidades de los microscopios electrónicos para permitir nuevas formas de realizar investigaciones de vanguardia. Cuando el desarrollador del microscopio electrónico de Nion, Ondrej Krivanek, preguntó a Idrobo y Lupini, "¿No sería divertido probar la espectroscopia de ganancia de energía de electrones?" aprovecharon la oportunidad de ser los primeros en explorar esta capacidad de su instrumento HERMES.

La resolución a nanoescala permite caracterizar la temperatura local durante las transiciones de fase en los materiales, algo imposible con técnicas que no tienen la resolución espacial de la espectroscopía HERMES. Por ejemplo, una cámara de infrarrojos está limitada por la longitud de onda de la luz infrarroja a objetos mucho más grandes.

Mientras que en este experimento los científicos probaron entornos a nanoescala a temperatura ambiente de aproximadamente 1300 grados Celsius (2372 grados Fahrenheit), el HERMES podría ser útil para estudiar dispositivos que funcionan en una amplia gama de temperaturas, por ejemplo, electrónicos que operan en condiciones ambientales a los catalizadores de vehículos que funcionan por encima de 300 C / 600 F.