Un físico del MIT ha creado un nuevo instrumento de interés para los investigadores del MIT en una amplia gama de disciplinas porque puede determinar de forma rápida y relativamente económica una variedad de características importantes de un material a nanoescala. Es capaz no solo de determinar las propiedades internas de un material, por ejemplo, cómo cambia la conductividad eléctrica u óptica de ese material en distancias exquisitamente cortas, pero también visualizando moléculas individuales, como proteínas.

"La investigación de materiales modernos se ha beneficiado enormemente de las herramientas experimentales avanzadas, "dice Long Ju, profesor asistente en el Departamento de Física. Ju es un experto en un instrumento emergente que combina la nanoscopia (la capacidad de ver cosas a nanoescala) con la espectroscopia, que sondea los materiales explorando sus interacciones con la luz.

La herramienta, conocido como nanoscopio y espectroscopio infrarrojo de campo cercano (también se conoce como microscopio óptico de campo cercano de barrido de tipo dispersión, o s-SNOM), está disponible comercialmente. Sin embargo, "es un desafío para los nuevos usuarios, que limita las aplicaciones de la técnica, "dice Ju.

Así que el grupo Ju construyó su propia versión de la herramienta, el primer s-SNOM en el MIT, y en mayo completó una segunda, versión más avanzada con funciones adicionales. Ahora ambos instrumentos están disponibles para la comunidad del MIT, y el grupo Ju está disponible para brindar asistencia a los usuarios del MIT y desarrollar nuevas funcionalidades. Ju anima a los colegas del MIT a que lo contacten con posibles solicitudes o preguntas.

"Es emocionante porque es una plataforma que puede, en principio, albergar muchos sistemas de materiales diferentes y extraer nueva información de cada uno, "dice Ju, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. "También es una plataforma para que algunas de las mejores mentes del mundo, los investigadores del MIT, conciban cosas más allá de lo que se puede hacer en un s-SNOM estándar".

La nueva herramienta se basa en microscopía de fuerza atómica (AFM), en el que una punta metálica extremadamente afilada con un radio de solo 20 nanómetros, o mil millonésimas de metro, se escanea a través de la superficie de un material. AFM crea un mapa de las características físicas, o topografía, de una superficie, de tan alta resolución que puede identificar "montañas" o "valles" de menos de un nanómetro de altura o profundidad.

Añadiendo luz

Ju agrega luz a la ecuación. Al enfocar un láser infrarrojo en la punta del AFM, esa punta se convierte en una antena "al igual que la antena de un televisor que se utiliza para recibir señales, ", dice. Y eso, Sucesivamente, mejora en gran medida las interacciones entre la luz y el material debajo de la punta. La luz retrodifundida recolectada de esas interacciones se puede analizar para revelar mucho más sobre la superficie de lo que sería posible con un AFM convencional.

El resultado:"Puede obtener una imagen de su muestra con una resolución espacial tres órdenes de magnitud mejor que la de las mediciones infrarrojas convencionales, "dice Ju. En un trabajo anterior reportado en Naturaleza , él y sus colegas publicaron imágenes de grafeno tomadas con AFM y con la nueva herramienta. Hay características en común entre los dos, pero la imagen de campo cercano está plagada de líneas brillantes que no son visibles en la imagen AFM. Son muros de dominio, o las interfaces entre dos secciones diferentes de un material. Esas interfaces son clave para comprender la estructura y las propiedades de un material.

Se pueden capturar imágenes de detalles similares con microscopía electrónica de transmisión (TEM), pero TEM tiene algunos inconvenientes. Por ejemplo, debe ser operado en un vacío ultra alto, y las muestras deben ser extremadamente delgadas para la suspensión en una película o membrana. "El primero limita el rendimiento experimental, mientras que este último no es compatible con la mayoría de los materiales, "dice Ju.

A diferencia de, el nanoscopio de campo cercano "se puede operar en el aire, no requiere suspensión de la muestra, y puede trabajar en la mayoría de sustratos sólidos, "Ju dice.

Muchas aplicaciones

Ju señala que la herramienta de campo cercano no solo puede proporcionar imágenes de alturas de alta resolución; El análisis de la luz retrodifundida de la punta de la máquina también puede proporcionar información importante sobre las propiedades internas de un material. Por ejemplo, puede distinguir los metales de los aislantes. También puede distinguir entre materiales con la misma composición química pero diferentes estructuras internas (piense en el diamante frente a la mina de un lápiz).

En un ejemplo, describe como "especialmente genial, "Ju dice que el instrumento podría incluso usarse para observar la transición del material del aislante al superconductor a medida que cambia la temperatura. También es capaz de monitorear reacciones químicas en la nanoescala.

Ju también señala que la nueva herramienta se puede operar de diferentes maneras para diferentes propósitos. Por ejemplo, él dijo, la punta de la herramienta se puede escanear a través de una superficie mientras se irradia con una longitud de onda de luz establecida, o la punta puede estacionarse sobre un área determinada y sondearse con luz de diferentes longitudes de onda. Diferentes longitudes de onda de luz interactúan de manera diferente con diferentes materiales, dando aún más información sobre la composición de un material dado u otras características.

Ju que llegó al MIT en 2019, disfruta mucho conocer a otros investigadores del MIT que podrían tener aplicaciones para su máquina. "Es emocionante trabajar con personas de diferentes áreas de investigación. Pueden trabajar juntos para generar nuevas ideas a la vanguardia".