Los científicos utilizaron uno de los microscopios electrónicos más potentes del mundo para mapear la ubicación precisa y el tipo químico de 23, 000 átomos en una partícula extremadamente pequeña de hierro y platino.

La reconstrucción 3-D revela la disposición de los átomos con un detalle sin precedentes, permitir a los científicos medir el orden químico y el desorden en granos individuales, que arroja luz sobre las propiedades del material a nivel de un solo átomo. La información obtenida de la estructura de la partícula podría conducir a nuevas formas de mejorar su rendimiento magnético para su uso en alta densidad, discos duros de próxima generación.

Y lo que es más, la técnica utilizada para crear la reconstrucción, tomografía electrónica atómica (que es como una tomografía computarizada de increíble alta resolución), sienta las bases para mapear con precisión la composición atómica de otras nanopartículas útiles. Esto podría revelar cómo optimizar las partículas para catalizadores más eficientes, materiales más fuertes, y etiquetas fluorescentes de detección de enfermedades.

Los datos de microscopía fueron obtenidos y analizados por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) en Molecular Foundry. en colaboración con los usuarios de Foundry de UCLA, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y la Universidad de Birmingham del Reino Unido. La investigación aparece en la edición del 2 de febrero de la revista Naturaleza .

Los átomos son los componentes básicos de la materia, y los patrones en los que están dispuestos dictan las propiedades de un material. Estos patrones también se pueden aprovechar para mejorar en gran medida la función de un material, razón por la cual los científicos están ansiosos por determinar la estructura tridimensional de las nanopartículas a la escala más pequeña posible.

"Nuestra investigación es un gran paso en esta dirección. Ahora podemos tomar una instantánea que muestre las posiciones de todos los átomos en una nanopartícula en un punto específico de su crecimiento. Esto nos ayudará a aprender cómo las nanopartículas crecen átomo por átomo, y prepara el escenario para un enfoque de diseño de materiales a partir de los bloques de construcción más pequeños, "dice Mary Scott, que realizó la investigación mientras era usuaria de Foundry, y que ahora es un científico del personal. Scott y sus compañeros científicos de Foundry Peter Ercius y Colin Ophus desarrollaron el método en estrecha colaboración con Jianwei Miao, profesor de física y astronomía de UCLA.

Su reconstrucción de nanopartículas se basa en un logro que informaron el año pasado en el que midieron las coordenadas de más de 3, 000 átomos en una aguja de tungsteno con una precisión de 19 billonésimas de metro (19 picómetros), que es muchas veces más pequeño que un átomo de hidrógeno. Ahora, han tomado la misma precisión, agregó la capacidad de distinguir diferentes elementos, y amplió la reconstrucción para incluir decenas de miles de átomos.

En tono rimbombante, su método mapea la posición de cada átomo en un solo, nanopartícula única. A diferencia de, La cristalografía de rayos X y la microscopía crioelectrónica trazan la posición promedio de los átomos de muchas muestras idénticas. Estos métodos hacen suposiciones sobre la disposición de los átomos, que no es una buena opción para las nanopartículas porque no hay dos iguales.

"Necesitamos determinar la ubicación y el tipo de cada átomo para comprender realmente cómo funciona una nanopartícula a escala atómica, "dice Ercius.

Un enfoque de EQUIPO

El último logro de los científicos se basó en el uso de uno de los microscopios electrónicos de transmisión de mayor resolución del mundo. llamado EQUIPO I.Está ubicado en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, que es una instalación de Fundición Molecular. El microscopio escanea una muestra con un haz de electrones enfocado, y luego mide cómo interactúan los electrones con los átomos de la muestra. También tiene una etapa de control piezoeléctrico que coloca las muestras con una estabilidad incomparable y una precisión de control de posición.

Los investigadores comenzaron a cultivar una nanopartícula de hierro y platino a partir de sus elementos constituyentes, y luego detuvo el crecimiento de la partícula antes de que se formara por completo. Colocaron la partícula "parcialmente horneada" en la etapa del EQUIPO I, obtuvo una proyección 2-D de su estructura atómica, lo roté unos grados, obtuvo otra proyección, etcétera. Cada proyección 2-D proporciona un poco más de información sobre la estructura 3-D completa de la nanopartícula.

Enviaron las proyecciones a Miao en UCLA, que utilizó un sofisticado algoritmo informático para convertir las proyecciones 2-D en una reconstrucción 3-D de la partícula. Las coordenadas atómicas individuales y los tipos químicos se rastrearon a partir de la densidad tridimensional basándose en el conocimiento de que los átomos de hierro son más ligeros que los de platino. La estructura atómica resultante contiene 6, 569 átomos de hierro y 16, 627 átomos de platino, con las coordenadas de cada átomo trazadas con precisión a menos del ancho de un átomo de hidrógeno.

Traducir los datos en conocimientos científicos

Surgieron características interesantes a esta escala extrema después de que los científicos de Molecular Foundry usaran el código que desarrollaron para analizar la estructura atómica. Por ejemplo, el análisis reveló el orden químico y el desorden en los granos entrelazados, en el que los átomos de hierro y platino están dispuestos en diferentes patrones. Esto tiene grandes implicaciones sobre cómo creció la partícula y sus propiedades magnéticas en el mundo real. El análisis también reveló defectos de un solo átomo y el ancho de los límites desordenados entre granos, lo que no era posible anteriormente en límites tridimensionales complejos.

"El problema importante de la ciencia de los materiales que estamos abordando es cómo este material se transforma a partir de una estructura altamente aleatoria, lo que llamamos una estructura químicamente desordenada, en una estructura regular altamente ordenada con las propiedades magnéticas deseadas, "dice Ophus.

Para explorar cómo los diversos arreglos de átomos afectan las propiedades magnéticas de las nanopartículas, Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE realizaron cálculos por computadora en la supercomputadora Titán en ORNL, utilizando las coordenadas y el tipo químico de cada átomo, para simular el comportamiento de las nanopartículas en un campo magnético. Esto permitió a los científicos ver patrones de átomos que son muy magnéticos, que es ideal para discos duros. También vieron patrones con propiedades magnéticas deficientes que podrían mermar el rendimiento de un disco duro.

"Esto podría ayudar a los científicos a aprender cómo dirigir el crecimiento de nanopartículas de hierro y platino para que desarrollen patrones de átomos más magnéticos". "dice Ercius.

Scott agrega, "Mas ampliamente, la técnica de imagen arrojará luz sobre la nucleación y el crecimiento de fases ordenadas dentro de nanopartículas, que no se comprende completamente teóricamente, pero es de importancia crítica para varias disciplinas científicas y tecnologías ".