(PhysOrg.com) - Los investigadores de UCLA ahora pueden mirar profundamente dentro de las estructuras más pequeñas del mundo para crear imágenes tridimensionales de átomos individuales y sus posiciones. Su investigación, publicado el 22 de marzo en la revista Naturaleza , presenta un nuevo método para medir directamente la estructura atómica de nanomateriales.

"Este es el primer experimento en el que podemos ver directamente estructuras locales en tres dimensiones a una resolución de escala atómica, eso nunca se había hecho antes, "dijo Jianwei (John) Miao, profesor de física y astronomía e investigador del California NanoSystems Institute (CNSI) en UCLA.

Miao y sus colegas usaron un microscopio electrónico de transmisión de barrido para barrer un haz estrecho de electrones de alta energía sobre una pequeña partícula de oro de solo 10 nanómetros de diámetro (casi 1, 000 veces más pequeño que un glóbulo rojo). La nanopartícula contenía decenas de miles de átomos de oro individuales, cada uno aproximadamente un millón de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Estos átomos interactúan con los electrones que pasan a través de la muestra, proyectando sombras que contienen información sobre la estructura interior de la nanopartícula en un detector debajo del microscopio.

El equipo de Miao descubrió que al tomar medidas en 69 ángulos diferentes, podrían combinar los datos obtenidos de cada sombra individual en una reconstrucción tridimensional del interior de la nanopartícula. Usando este método, que se conoce como tomografía electrónica, El equipo de Miao pudo ver directamente los átomos individuales y cómo se colocaron dentro de la nanopartícula de oro específica.

Ahora, La cristalografía de rayos X es el método principal para visualizar estructuras moleculares tridimensionales a resoluciones atómicas. Sin embargo, este método implica medir muchas muestras casi idénticas y promediar los resultados. La cristalografía de rayos X generalmente toma un promedio de billones de moléculas, lo que hace que cierta información se pierda en el proceso, Dijo Miao.

"Es como promediar todos los habitantes de la Tierra para tener una idea de cómo es un ser humano:se pierden por completo las características únicas de cada individuo, " él dijo.

La cristalografía de rayos X es una técnica poderosa para revelar la estructura de cristales perfectos, que son materiales con un panal ininterrumpido de átomos perfectamente espaciados alineados tan prolijamente como libros en un estante. Sin embargo, la mayoría de las estructuras que existen en la naturaleza son no cristalinas, con estructuras mucho menos ordenadas que sus contrapartes cristalinas:imagínese un concierto de rock mosh pit en lugar de soldados en un desfile.

"Nuestra tecnología actual se basa principalmente en estructuras cristalinas porque tenemos formas de analizarlas, "Dijo Miao." Pero para estructuras no cristalinas, ningún experimento directo ha visto estructuras atómicas en tres dimensiones antes ".

El sondeo de materiales no cristalinos es importante porque incluso pequeñas variaciones en la estructura pueden alterar en gran medida las propiedades electrónicas de un material. Miao notó. La capacidad de examinar de cerca el interior de un semiconductor, por ejemplo, podría revelar defectos internos ocultos que podrían afectar su rendimiento.

"La resolución atómica tridimensional de estructuras no cristalinas sigue siendo un gran problema sin resolver en las ciencias físicas, " él dijo.

Miao y sus colegas aún no han resuelto el enigma no cristalino, pero han demostrado que pueden obtener imágenes de una estructura que no es perfectamente cristalina a una resolución de 2,4 angstroms (el tamaño medio de un átomo de oro es 2,8 angstroms). La nanopartícula de oro que midieron para su papel resultó estar compuesta de varios granos de cristal diferentes, cada uno formando una pieza de rompecabezas con átomos alineados en patrones sutilmente diferentes. Una nanoestructura con segmentos y límites cristalinos ocultos en el interior se comportará de manera diferente a una hecha de un solo cristal continuo, pero otras técnicas no habrían podido visualizarlos en tres dimensiones. Dijo Miao.

El equipo de Miao también descubrió que la pequeña mancha dorada que estudiaron tenía la forma de una gema multifacética. aunque ligeramente aplastado en un lado por descansar sobre una plataforma plana dentro del gigantesco microscopio, otro pequeño detalle que podría haber sido promediado al usar métodos más tradicionales.

Este proyecto se inspiró en la investigación anterior de Miao, lo que implicó encontrar formas de minimizar la dosis de radiación administrada a los pacientes durante las tomografías computarizadas. Durante un escaneo, los pacientes deben ser radiografiados en una variedad de ángulos, y esas medidas se combinan para brindarles a los médicos una imagen de lo que hay dentro del cuerpo. Miao encontró una forma matemáticamente más eficiente de obtener imágenes similares de alta resolución mientras tomaba escaneos en menos ángulos. Más tarde se dio cuenta de que este descubrimiento podría beneficiar a los científicos que investigan el interior de las nanoestructuras, no solo los médicos que buscan tumores o fracturas.

Nanoestructuras, como pacientes, puede dañarse si se administran demasiadas exploraciones. Un bombardeo constante de electrones de alta energía puede provocar que los átomos de las nanopartículas se reorganicen y que la propia partícula cambie de forma. Al llevar su descubrimiento médico a su trabajo en ciencia de materiales y nanociencia, Miao pudo inventar una nueva forma de mirar dentro de las estructuras más pequeñas del campo.

El descubrimiento realizado por el equipo de Miao puede conducir a mejoras en la resolución y la calidad de imagen para la investigación de tomografía en muchos campos. incluido el estudio de muestras biológicas.