Por primera vez en la larga y alardeada historia de la microscopía electrónica de barrido, Se ha resuelto la estructura atómica única en la superficie de un material. Este hito en la imagen científica fue posible gracias a una nueva técnica analítica desarrollada por un equipo multiinstitucional de investigadores, incluidos científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

"Hemos desarrollado un método razonablemente directo para determinar la estructura atómica de una superficie que también aborda el desafiante problema de las interfaces enterradas, "dice Jim Ciston, un científico del personal del Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Aunque los átomos de la superficie representan una fracción minúscula del número total de átomos en un material, estos átomos impulsan una gran parte de las interacciones químicas del material con su entorno ".

Ciston es el autor principal y correspondiente de un artículo que describe este nuevo método analítico en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Determinación de superficies a través de imágenes de electrones secundarios resueltos atómicamente". Otros coautores son Hamish Brown, Adrian D'Alfonso, Pratik Koirala, Colin Ophus, Yuyuan Lin, Yuya Suzuki, Hiromi Inada, Yimei Zhu, Les Allen, y Laurence Marks.

La mayoría de los materiales interactúan con otros materiales a través de sus superficies, que a menudo son diferentes tanto en estructura como en química de la mayor parte del material. Muchos procesos importantes tienen lugar en las superficies, que van desde los catalizadores utilizados para la generación de combustibles densos en energía a partir de la luz solar y el dióxido de carbono, a cómo se oxidan puentes y aviones.

"En esencia, la superficie de cada material puede actuar como su propio recubrimiento de nanomateriales que puede cambiar en gran medida su química y comportamiento, "Dice Ciston." Para comprender estos procesos y mejorar el rendimiento de los materiales, es vital saber cómo están dispuestos los átomos en las superficies. Si bien ahora existen muchos buenos métodos para obtener esta información para superficies bastante planas, cuando las superficies son rugosas, la mayoría de las herramientas disponibles en la actualidad son limitadas en lo que pueden revelar ".

"La belleza de esta técnica es que podemos obtener imágenes de los átomos de la superficie y de los átomos a granel simultáneamente, "dice el coautor Zhu, científico del Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Actualmente, ninguno de los métodos existentes puede lograr esto".

La microscopía electrónica de barrido (SEM) es una técnica excelente para estudiar superficies, pero normalmente proporciona información solo sobre la topología a una resolución a nanoescala. Una nueva versión muy prometedora de microscopía electrónica de barrido, llamado "microscopía electrónica de barrido de alta resolución, "o HRSEM, extiende esta resolución a la escala atómica y proporciona información sobre los átomos de superficie y a granel simultáneamente, conservando gran parte de la sensibilidad superficial del SEM tradicional a través de electrones secundarios.

Los electrones secundarios son el resultado de un haz de electrones altamente energizado que golpea un material y hace que los átomos del material emitan energía en forma de electrones en lugar de fotones. Como una gran parte de los electrones secundarios se emiten desde la superficie de un material, además de su volumen, son buenos recursos para obtener información sobre la estructura de la superficie atómica. Sin embargo, la selectividad superficial de HRSEM nunca se ha aprovechado por completo.

"Aunque hace varios años que se dispone de potentes instrumentos, El progreso en las aplicaciones de la ciencia de los materiales ha sido lento debido a la incapacidad de interpretar directamente la superficie y los componentes a granel de las imágenes HRSEM de forma independiente. "Dice Ciston." Esta dificultad se debió a la falta de un marco teórico completamente desarrollado para comprender la formación de imágenes SEM a escala atómica ".

Los métodos de simulación de imágenes de electrones secundarios existentes tuvieron que ampliarse para tener en cuenta las contribuciones de los orbitales de valencia en el material, él dice, y también el efecto del cribado dieléctrico sobre la eficiencia de generar señales a partir de esos orbitales de valencia.

Para verificar la efectividad de su nuevo marco teórico, Pistón Allen, Marks y sus colegas recopilaron y analizaron en detalle una serie de imágenes HRSEM de una disposición particular de átomos en la superficie del titanato de estroncio. Estos experimentos se combinaron con cuidadosas simulaciones de imágenes de electrones secundarios, cálculos de la teoría funcional de la densidad, y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución con corrección de aberraciones.

"Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión convencional se comprenden bien y eran necesarias para confirmar que realmente teníamos la estructura correcta y que la nueva teoría HRSEM estaba en el camino correcto, "Dice Ciston". Tomados colectivamente, el análisis nos permitió hacer referencia sin ambigüedades a la información de la superficie con la información del cristal a granel ".

La excelente concordancia entre los cálculos y los resultados experimentales mostró que HRSEM es una herramienta muy prometedora para la determinación de la estructura de la superficie. incluido el desafiante tema del registro a granel / de superficie. De su demostración, la colaboración descubrió que las estructuras de la superficie atómica informadas anteriormente para el titanato de estroncio con una "periodicidad 6x2" son incorrectas, habiendo fallado en detectar una coordinación de siete veces inusual dentro de una cobertura de superficie típicamente alta de grupos de óxido de titanio.

"Comenzamos este trabajo investigando un material bien estudiado, pero la nueva técnica es tan poderosa que tuvimos que revisar gran parte de lo que ya se pensaba que era bien conocido, "Dice Ciston.

Coautor Allen, un científico de la Universidad de Melbourne en Australia, quien dirigió los aspectos teóricos y de modelado de la nueva técnica de imagen, añade:"ahora tenemos una comprensión sofisticada de lo que significan las imágenes".

Quizás el primer objetivo para la aplicación de esta nueva técnica analítica de superficies HRSEM sea el estudio de las estructuras superficiales en las facetas de las nanopartículas. Las estructuras de la superficie de las facetas de las nanopartículas son extremadamente difíciles de visualizar en la vista en planta (vista desde arriba) usando microscopía electrónica, un déficit que debe corregirse, como explica Ciston.

"La geometría de la vista en planta es importante porque las estructuras de la superficie a menudo desarrollarán múltiples dominios, y debemos asegurarnos de que no estamos proyectando a través de múltiples estructuras y orientaciones, ", dice." Este es un problema muy desafiante, ya que las técnicas de exploración con sondas no suelen abordar las superficies de las nanopartículas a una resolución atómica, y la difracción de rayos X de superficie requiere grandes Superficies monocristalinas ".

Dice el coautor Marks, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Northwestern, "También estamos bastante entusiasmados con las posibilidades de aplicarlos a los problemas de corrosión. El costo de la corrosión para la industria y el ejército es enorme, y necesitamos entender todo lo que está sucediendo para producir materiales que duren más ".