Una combinación novedosa de microscopía y procesamiento de datos ha brindado a los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía una mirada sin precedentes a la superficie de un material conocido por sus inusuales propiedades físicas y electroquímicas.

El equipo de investigación dirigido por Zheng Gai de ORNL examinó cómo el oxígeno afecta la superficie de una manganita de perovskita, un material complejo que exhibe un comportamiento magnético y electrónico dramático. La nueva vía para comprender el comportamiento de la superficie podría beneficiar a los investigadores interesados ​​en utilizar una amplia gama de materiales de óxido correlacionados para aplicaciones como pilas de combustible sólido o sensores de oxígeno.

"Las propiedades de la superficie son clave para cualquier aplicación sensible, porque la superficie controla la interacción con el mundo exterior, "dijo el coautor Art Baddorf.

Los resultados del equipo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , subrayar por qué los materiales se denominan "fuertemente correlacionados":debido a que las funcionalidades químicas y físicas están acopladas, cualquier cambio menor puede influir en todo el sistema.

"Es como si el material tuviera muchas perillas, y si cumples uno, todas las propiedades cambian, "Dijo Gai." Giras una perilla diferente y todo cambia de nuevo. Resulta que la superficie es otra perilla; puedes usarla para cambiar las propiedades ".

Los investigadores utilizaron microscopía de túnel de barrido de alta resolución para generar imágenes de la superficie de la manganita, hasta el nivel de 30 picómetros. Un picómetro es una billonésima parte de un metro. Luego procesaron los datos de imágenes para determinar la posición de cada átomo y calcular los ángulos entre los átomos.

"Saber dónde están posicionados los átomos muestra cómo están interactuando, "Dijo Baddorf.

Los "mapas de distorsión" resultantes pusieron a la vista áreas estructurales llamadas dominios que no se identificaban fácilmente en las imágenes sin procesar. Los mapas mostraron claramente cómo la presencia de átomos de oxígeno obligó a los átomos a adoptar un patrón de tablero de ajedrez conocido como distorsión de Jahn-Teller. Gai dice que el estudio del equipo es la primera vez que se observa el fenómeno en la superficie de un material.

"El oxígeno cambia totalmente la energía de la superficie, "Dijo Gai." Una vez que introduces oxígeno, a los electrones no les gusta formar una línea recta; zigzaguean para llegar a un estado de menor energía. Esta distorsión es un concepto muy común en materiales a granel, pero nadie ha podido mostrar este efecto en la superficie antes ".

El estudio se publica como "Pedido Jahn-Teller inducido químicamente en superficies de manganita". Los coautores son Wenzhi Lin de ORNL, Paul Snijders, Thomas Ward, J. Shen, Stephen Jesse, Sergei Kalinin, y Arthur Baddorf; J.D. Burton y Evgeny Tsymbal de la Universidad de Nebraska; y K. Fuchigami de IHI Corporation.

Esta investigación se llevó a cabo en parte en el Center for Nanophase Materials Sciences, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La Oficina de Ciencias del DOE apoyó la investigación. El trabajo en la Universidad de Nebraska-Lincoln fue apoyado por la National Science Foundation.