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  • Jugando al billar con átomos

    Los potentes espectrómetros de fotoelectrones de rayos X de alta resolución de Lehigh (HR-XPS), el único de su tipo en los EE. UU., puede determinar la naturaleza química de los átomos en la región de la superficie de un material y es un complemento perfecto para el nuevo HS-LEIS. Foto de Douglas Benedict

    (PhysOrg.com) - El científico que desarrolló el espectrómetro más sensible del mundo para identificar átomos en la superficie de un material llegó recientemente a Lehigh para dar una charla en el único laboratorio de EE. UU. Que está equipado con su instrumento de vanguardia.

    Hidde Brongersma, profesor del Imperial College de Londres, Inglaterra, pronunció el discurso de apertura en el Simposio de análisis de superficies de la Universidad de Lehigh.

    El evento, celebrado en el Laboratorio Whitaker, atrajo a 150 científicos de la industria y el mundo académico.

    Brongersma, quien anteriormente estuvo asociado con la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos, es el inventor del espectrómetro de dispersión de iones de alta sensibilidad y baja energía ION-TOF Qtac100 (HS-LEIS). La dispersión de iones de baja energía es la única técnica que puede identificar los átomos presentes en la capa más externa de una superficie sólida (resolución de profundidad de ~ 0,3 nanómetros; 1 nm equivale a una mil millonésima parte de un metro).

    "Ya sea que esté intentando desarrollar un nuevo catalizador, fabricar un transistor más pequeño, o mejorar las propiedades adhesivas de una superficie de polímero, "Dijo Brongersma, “Es extremadamente importante poder controlar las propiedades de la superficie a nivel atómico.

    "Para hacer esto, debe poder analizar la composición de la superficie con la misma precisión ".

    Una pareja poderosa

    Para analizar la superficie de una muestra, no solo hay que identificar los átomos presentes, sino también determinar su naturaleza química, como el estado de oxidación.

    Lehigh también tiene la suerte de tener uno de los espectrómetros fotoelectrónicos de rayos X de alta resolución (HR-XPS) más potentes, capaz de determinar la naturaleza química de los átomos en la región de la superficie. El Scienta ESCA 300 de la universidad, uno de los 11 del mundo, es el único de su tipo en los EE. UU.

    “Si bien XPS no es tan sensible a la superficie como HS-LEIS, puede proporcionar información química muy útil de las 10-20 capas atómicas superiores de un material, ”Dijo Israel E. Wachs, el profesor G. Whitney Snyder de ingeniería química.

    “Ser capaz de combinar datos de ambas técnicas permite a Lehigh y a los investigadores visitantes obtener una nueva perspectiva sobre las superficies de muchos de los materiales tecnológicamente importantes de la actualidad.

    “Los conocimientos fundamentales y sin precedentes que brindan estas técnicas de superficie ya están comenzando a cambiar nuestra comprensión de las superficies de materiales tecnológicamente importantes, al tiempo que se establecen relaciones básicas entre estructura y rendimiento que ayudan en el diseño de materiales avanzados”.

    Una bola blanca de iones de gases nobles.

    Los principios físicos detrás de la técnica HS-LEIS son similares a los de un juego de billar, pero en lugar de una bola blanca, iones de gas noble, como helio o neón, se disparan a la superficie de una muestra.

    El ion de gas interactúa con un átomo de superficie similar a la forma en que una bola blanca golpea otra bola de billar. Puede rebotar directamente de la muestra o desviarse en ángulo, y una fracción de su momento (o energía) se transfiere al átomo de la superficie.

    La cantidad de energía perdida está directamente relacionada con el peso atómico del átomo de superficie. La energía de los iones de los gases nobles que rebotan se mide en el espectrómetro, que luego se puede relacionar de nuevo para determinar inequívocamente la identidad del átomo desde el que se dispersó.

    El diseño único del analizador de energía toroidal Qtac100 del instrumento, que incluye un detector sensible a la posición y un filtro de masa de tiempo de vuelo, ofrece un 3, 000 veces la mejora en la sensibilidad sobre sus predecesores y también permite el mapeo de superficie bidimensional.

    Otras presentaciones en el taller estuvieron a cargo de Wachs, quien dirige el Laboratorio de Investigación de Catálisis y Espectroscopía Molecular Operando de Lehigh; Alfred Miller, un científico investigador que dirige el laboratorio Scienta XPS; y Andriy Kovalskiy, un investigador asociado afiliado al Instituto Internacional de Materiales de Lehigh para la Nueva Funcionalidad en Vidrio, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.


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