Una nueva técnica para visualizar las estructuras electrónicas que cambian rápidamente de los materiales de escala atómica a medida que se retuercen, la caída y la travesía por el nanomundo está tomando forma en el Instituto de Tecnología de California. Allí, Los investigadores han combinado con éxito por primera vez dos métodos existentes para visualizar la dinámica estructural de una fina película de grafito.

Descrito esta semana en la revista Structural Dynamics, de AIP Publishing y la American Crystallographic Association, su enfoque integró una técnica de análisis estructural altamente específica conocida como "espectroscopia de pérdida de núcleo" con otro enfoque conocido como microscopía electrónica ultrarrápida de cuatro dimensiones (4-D), una técnica iniciada por el laboratorio Caltech, que está dirigida por el premio Nobel Ahmed Zewail.

En espectroscopia de pérdida de núcleo, los electrones de sondeo de alta velocidad pueden excitar selectivamente los electrones centrales de un átomo específico en un material (los electrones centrales son los que están más unidos al núcleo atómico). La cantidad de energía que obtienen los electrones del núcleo da una idea de la estructura electrónica local, pero la técnica está limitada en el tiempo de resolución que puede lograr, tradicionalmente demasiado lenta para reacciones catalíticas rápidas. La microscopía electrónica 4-D también revela la dinámica estructural de los materiales a lo largo del tiempo mediante el uso de pulsos cortos de electrones de alta energía para sondear muestras. y está diseñado para una resolución de tiempo ultrarrápida.

La combinación de estas dos técnicas permitió al equipo rastrear con precisión los cambios locales en la estructura electrónica a lo largo del tiempo con una resolución de tiempo ultrarrápida.

"En este trabajo, demostramos por primera vez que podemos sondear electrones de núcleo profundo con energías de enlace bastante altas que superan los 100 eV, "dijo Renske van der Veen, uno de los autores del nuevo estudio. "Estamos equipados con una herramienta de sondeo ultrarrápida que puede investigar, por ejemplo, los procesos de relajación en nanopartículas fotocatalíticas, transiciones de fase fotoinducidas en materiales a nanoescala o la dinámica de transferencia de carga en las interfaces ".

Combinando dos técnicas en una mesa

La integración de las dos técnicas resultó ser un desafío. Debido a que los electrones se repelen entre sí, hay una cantidad limitada de electrones que se pueden empaquetar en un pulso. A medida que acorta cada pulso para aumentar la resolución de tiempo, cada pulso contiene menos electrones, y la posibilidad de interacción entre los electrones de sondeo y los electrones del núcleo disminuye. Particularmente a los altos niveles de energía requeridos para excitar los electrones del núcleo profundo (capas de electrones 1a y 2a), "la señal de muchos paquetes de electrones debe integrarse durante mucho tiempo, "explicó van der Veen.

Los investigadores probaron su técnica en películas delgadas de grafito, demostrando que la excitación láser hace que los enlaces carbono-carbono en el plano de la estructura se expandan y la brecha de energía π-π * se reduzca en la escala de tiempo de picosegundos (una billonésima de segundo).

La espectroscopia de pérdida de núcleo es en cierto modo similar a la espectroscopia de absorción de rayos X, pero tiene algunas ventajas críticas. "Usando rayos X, el estudio de nanoobjetos individuales y la obtención de imágenes de materiales a escala atómica in situ sigue siendo un gran desafío. En este sentido, La espectroscopía ultrarrápida de pérdida de núcleo en microscopía electrónica proporciona una gran ventaja. Imágenes, la difracción y la espectroscopía se combinan en la misma configuración de sobremesa; se puede obtener fácilmente información complementaria sobre la misma muestra, "dijo van der Veen.

La capacidad de visualizar la dinámica ultrarrápida de átomos individuales tiene amplias aplicaciones en todas las disciplinas científicas, desde la ciencia de los materiales hasta la biología. Los investigadores esperan que los desarrollos futuros en "fuentes de electrones pulsados ​​y métodos de detección" permitan que su técnica se utilice en experimentos más avanzados.