(Phys.org) —Utilizando un microscopio de última generación y nuevos métodos de procesamiento de imágenes, un equipo multiinstitucional de investigadores ha ideado una forma ingeniosa de medir las posiciones de los sitios atómicos individuales en los materiales con más precisión que nunca.

En un artículo publicado el 11 de junio, 2014 en la revista Comunicaciones de la naturaleza , el equipo demostró la capacidad de localizar átomos en imágenes de alta resolución de materiales a mejor que un picómetro, o una centésima de nanómetro. Eso es más de cinco veces mejor que los métodos de imagen anteriores.

Andrew Yankovich, estudiante de posgrado en ingeniería y ciencias de los materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison, es el primer autor del artículo.

La nueva técnica permite a los investigadores identificar cambios previamente indetectables de sitios atómicos individuales en un material. La comprensión de estos cambios atómicos podría ayudar a allanar el camino para nuevos materiales innovadores.

"Antes de nuestro trabajo, los científicos podrían usar técnicas de difracción de rayos X para medir millones de átomos a la vez, y si un montón de esos átomos se acercan un poco más o se alejan un poco, ese cambio es medible, "dice el coautor Paul Voyles, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison.

Aunque la difracción de rayos X sigue siendo una mejor manera de medir los cambios que involucran una gran cantidad de átomos con una precisión mucho mayor, no proporciona mediciones útiles para estructuras particulares donde los investigadores están tratando de medir cambios en solo unos pocos átomos.

"Ahora, con esta nueva técnica, podemos decir 'este átomo se acercó un poco más a ese átomo, y estamos hablando solo de estos dos átomos, "dice Voyles." Eso nos da la capacidad de responder preguntas sobre el origen atómico de la función de clases de materiales completamente nuevas, como catalizadores de nanopartículas metálicas, que antes eran muy difíciles de medir ".

Aunque Voyles y su equipo utilizan un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) de última generación en UW-Madison para recopilar datos experimentales, medir estructuras atómicas a escala picométrica es extremadamente difícil, dice Voyles.

"Si algo se mueve, el rayo sonda de electrones, la muestra, el microscopio en sí, o la corriente eléctrica que fluye en cualquiera de las lentes, luego agrega inestabilidad a la imagen, lo que significa que los átomos se alejan de donde deberían estar en la imagen, "dice Voyles." El STEM es extremadamente sensible al entorno en el que se encuentra ".

Voyles inició este proyecto de investigación porque buscaba una solución a estas inestabilidades instrumentales, lo que limitó la capacidad de realizar mediciones más precisas de sitios atómicos.

Voyles dice que la colaboración interdisciplinaria jugó un papel crucial en la solución del problema. Conoció a sus colaboradores en un taller organizado por los coautores Peter Binev y Wolfgang Dahmen en el Instituto Interdisciplinario de Matemáticas de la Universidad de Carolina del Sur. que invitó a Voyles y otros en el campo de la microscopía electrónica para hablar sobre los desafíos en su campo. Se asoció con expertos en matemáticas aplicadas y procesamiento de imágenes para buscar soluciones.

Voyles dice que el gran avance se produjo cuando el equipo encontró formas nuevas e inteligentes de combinar técnicas de ciencia de datos de matemáticas aplicadas para trabajar con datos de materiales STEM. El resultado fue una nueva combinación de matemáticas y algoritmos, integrado en una herramienta de software.

La nueva técnica implica el uso de STEM para tomar aproximadamente 500 imágenes de una muestra lo más rápido posible. Todas las imágenes deberían ser iguales, pero no lo son, porque las inestabilidades pueden hacer que los átomos aparezcan en posiciones incorrectas. Para corregir esto, los investigadores usan un algoritmo para estimar todas las inestabilidades en cada imagen y deshacerlas, produciendo imágenes corregidas con un nuevo nivel de precisión.

Los próximos pasos serían mejorar la usabilidad y la eficiencia del software y hacer que esté ampliamente disponible.

"Creo que existe una gran oportunidad para la colaboración interdisciplinaria continua de un tipo similar a lo que hemos hecho, para impulsar nuevas respuestas a preguntas científicas, "dice Voyles.