Los átomos son los componentes básicos de toda la materia de la Tierra, y los patrones en los que están dispuestos dictan qué tan fuerte, conductor o flexible será un material. Ahora, Los científicos de UCLA han utilizado un poderoso microscopio para obtener imágenes de las posiciones tridimensionales de átomos individuales con una precisión de 19 billonésimas de metro. que es varias veces más pequeño que un átomo de hidrógeno.

Sus observaciones lo hacen posible, por primera vez, inferir las propiedades macroscópicas de los materiales basándose en sus arreglos estructurales de átomos, que guiará cómo los científicos e ingenieros construyen componentes de aeronaves, por ejemplo. La investigación, dirigido por Jianwei (John) Miao, profesor de física y astronomía de UCLA y miembro del California NanoSystems Institute de UCLA, se publica el 21 de septiembre en la edición en línea de la revista Materiales de la naturaleza .

Durante más de 100 años, Los investigadores han inferido cómo se organizan los átomos en un espacio tridimensional utilizando una técnica llamada cristalografía de rayos X, que implica medir cómo las ondas de luz se dispersan en un cristal. Sin embargo, La cristalografía de rayos X solo proporciona información sobre las posiciones promedio de muchos miles de millones de átomos en el cristal, y no sobre las coordenadas precisas de los átomos individuales.

"Es como tomar un promedio de personas en la Tierra, "Dijo Miao." La mayoría de la gente tiene cabeza, dos ojos, una nariz y dos orejas. Pero una imagen de la persona promedio seguirá siendo diferente a la tuya y la mía ".

Debido a que la cristalografía de rayos X no revela la estructura de un material por átomo, la técnica no puede identificar pequeñas imperfecciones en materiales como la ausencia de un solo átomo. Estas imperfecciones conocidos como defectos puntuales, puede debilitar los materiales, lo cual puede ser peligroso cuando los materiales son componentes de máquinas como motores a reacción.

"Los defectos puntuales son muy importantes para la ciencia y la tecnología modernas, "Dijo Miao.

Miao y su equipo utilizaron una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión de barrido, en el que un haz de electrones más pequeño que el tamaño de un átomo de hidrógeno se escanea sobre una muestra y mide cuántos electrones interactúan con los átomos en cada posición de escaneo. El método revela la estructura atómica de los materiales porque las diferentes disposiciones de los átomos hacen que los electrones interactúen de diferentes maneras.

Sin embargo, Los microscopios electrónicos de transmisión de barrido solo producen imágenes bidimensionales. Por lo tanto, la creación de una imagen en 3-D requiere que los científicos escaneen la muestra una vez, inclínelo unos pocos grados y vuelva a escanearlo, repitiendo el proceso hasta lograr la resolución espacial deseada, antes de combinar los datos de cada escaneo utilizando un algoritmo informático. La desventaja de esta técnica es que la radiación repetida del haz de electrones puede dañar progresivamente la muestra.

Usando un microscopio electrónico de transmisión de barrido en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Miao y sus colegas analizaron una pequeña pieza de tungsteno, un elemento utilizado en bombillas incandescentes. Como la muestra se inclinó 62 veces, los investigadores pudieron ensamblar lentamente un modelo 3-D de 3, 769 átomos en la punta de la muestra de tungsteno.

El experimento llevó mucho tiempo porque los investigadores tuvieron que esperar varios minutos después de cada inclinación para que la configuración se estabilizara.

"Nuestras medidas son tan precisas, y cualquier vibración, como una persona que pasa caminando, puede afectar lo que medimos, "dijo Peter Ercius, científico del personal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y autor del artículo.

Los investigadores compararon las imágenes del primer y último escaneo para verificar que el tungsteno no hubiera sido dañado por la radiación. gracias a que la energía del haz de electrones se mantiene por debajo del umbral de daño por radiación del tungsteno.

Miao y su equipo demostraron que los átomos en la punta de la muestra de tungsteno estaban dispuestos en nueve capas, el sexto de los cuales contenía un defecto puntual. Los investigadores creen que el defecto era un agujero en una capa de átomos llena de otro modo o uno o más átomos entrelazados de un elemento más ligero como el carbono.

Independientemente de la naturaleza del defecto puntual, la capacidad de los investigadores para detectar su presencia es significativa, demostrando por primera vez que las coordenadas de átomos individuales y defectos puntuales se pueden registrar en tres dimensiones.

"Hicimos un gran avance, "Dijo Miao.

Miao y su equipo planean aprovechar sus resultados estudiando cómo se organizan los átomos en materiales que poseen magnetismo o funciones de almacenamiento de energía. lo que ayudará a informar nuestra comprensión de las propiedades de estos importantes materiales en la escala más fundamental.

"Creo que este trabajo creará un cambio de paradigma en cómo se caracterizan los materiales en el siglo XXI, ", dijo." Los defectos puntuales influyen fuertemente en las propiedades de un material y se discuten en muchos libros de texto de física y ciencia de los materiales. Our results are the first experimental determination of a point defect inside a material in three dimensions."