Los físicos de la Universidad de Vermont, Jeff Ulbrandt y Randy Headrick, han descubierto una forma novedosa de mezclar rayos X, abriendo una nueva ventana a los átomos en movimiento. Usando esta cámara de vacío, crearon películas delgadas como las que se usan en paneles solares y pantallas LCD, mientras las iluminaban con rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne. Dentro de sus gigabytes de datos, los científicos encontraron una vista sin precedentes del movimiento desordenado de objetos complejos a nanoescala. Crédito:Joshua Brown, UVM
Los rayos X se han utilizado durante mucho tiempo para hacer imágenes de objetos diminutos, incluso átomos individuales. Ahora, un equipo de científicos ha descubierto un nuevo uso de los rayos X a escala atómica:usarlos como una pistola de radar para medir el movimiento y la velocidad de grupos de átomos complejos y desordenados.
"Es un poco como una trampa de velocidad de la policía:para defectos atómicos y a nanoescala, "dice Randall Headrick, profesor de física en la Universidad de Vermont que dirigió el equipo de investigación. La nueva técnica fue publicada el 28 de marzo en la revista Física de la naturaleza .
POROS PEQUEÑOS
Los rayos X tienen un gran poder para mirar dentro. No es solo Superman; los científicos se han acercado a lo que podría parecer ciencia ficción, formación de rayos X en objetos diminutos, incluyendo cadenas de ADN, virus y átomos individuales. Pero a medida que investigan la estructura de cosas cada vez más pequeñas, la disposición aleatoria de esos objetos hace que sea cada vez más difícil distinguirlos. Un problema de larga data ha sido que las buenas imágenes de rayos X requieren cristales casi perfectos, objetos idénticos en un orden preciso. A escala de átomos, Los objetos complejos y desordenados, como las películas delgadas que se usan para hacer la pantalla de un teléfono celular o las capas de metal que se usan en los circuitos electrónicos, dan una imagen de rayos X borrosa. "Es como mezclar muchas caras diferentes en una imagen compuesta, "Headrick dice, "o tratando de ver cómo se ve un automóvil promedio observando el tráfico en una autopista".
Un haz de rayos X que se desprende de una fina película de silicio forma este patrón de moteado que corresponde a los detalles de la superficie. Los científicos de la Universidad de Vermont utilizaron este tipo de imágenes como parte de un descubrimiento que está proporcionando una nueva vista a nanoescala. Crédito:Randall Headrick, UVM
En un nuevo enfoque, Headrick y los otros científicos, con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., imponen orden en los rayos X cuando no hay orden en lo que están mirando. Utilizaron rayos X coherentes (piense en los rayos X que viajan en una banda de marcha) para recuperar parte de la información de su imagen. Al igual que el radar detecta la velocidad de un individuo en la carretera, extrajeron las distintas velocidades de pequeños grupos de átomos a partir de la gran señal de rayos X que brillaban sobre una corriente de átomos en movimiento. Y en ese nuevo tipo de imagen de rayos X, descubrieron vacíos y poros diminutos que se forman al hacer dos tipos de películas delgadas con silicio y tungsteno, y cómo se mueven esos vacíos y poros.
Su descubrimiento promete mejorar las técnicas industriales para hacer más suaves, películas delgadas más perfectas, que tienen miles de aplicaciones comerciales, desde paneles solares hasta sistemas de administración de fármacos, chips de computadora a bolsas de papas fritas.
Pero mucho más importante, Notas de Headrick, la investigación abre una nueva forma de ver muchos tipos de grupos complejos de átomos en movimiento, no solo cristales ordenados.
"Podemos ver que estos defectos a nanoescala se forman en la película mientras se hacen, ", Dice Headrick. Los científicos se sorprendieron de que fueran capaces de crear una vista no solo de la rugosidad de la superficie de la película, sino también la estructura interior. Esto es importante ya que la calidad de las películas delgadas puede verse fuertemente afectada por la relación dinámica entre la forma en que crecen en la superficie (a menudo se rocían o se depositan en el vacío) y la estructura de los átomos que se forman debajo de la superficie.
"Encontramos que hay dos tipos de defectos, "Notas de Headrick, "un tipo que se mueve junto con la superficie y se cree que son nanocolumnas que crecen con la superficie, y otro tipo que son vacíos que no crecen con la superficie".
COMO LA CERVEZA
Para comprender estos dos tipos de defectos, sírvase un vaso de cerveza y observe las burbujas. Algunos se mueven en líneas finas a través del líquido, viajando hacia arriba mientras la parte superior de la cerveza también se eleva. Otras burbujas, atrapado en la espumosa cabeza, están pegados en su lugar mientras más espuma se amontona encima de ellos.
Ahora imagina que estas burbujas son en realidad átomos individuales. Las líneas de burbujas que se mueven hacia arriba mientras se vierte la cerveza son como las nanocolumnas de átomos que Headrick y el equipo observaron con la nueva técnica de rayos X. Los huecos en la película son como las burbujas atrapadas en la espuma de la cerveza.
El autor principal del artículo es el estudiante de posgrado de Headrick, Jeffrey Ulbrandt. Juntos, colaboraron con investigadores de la Universidad de Boston, incluido el físico Karl Ludwig, y científicos del Laboratorio Nacional Argonne, para hacer el descubrimiento. Usando una máquina grande llamada sincrotrón en la Fuente de Fotones Avanzada de Argonne, pudieron dirigir ondas de rayos X altamente organizadas sobre las películas. Imagen con estos rayos X coherentes, Los objetos desordenados, como la superficie rugosa y el interior desordenado de una película de silicio, pueden detectarse en un patrón complejo de motas que se crea en el detector de rayos X. "Este patrón de motas contiene información detallada sobre las formas y los espacios de la colección de objetos, "Explica Headrick.
SINTONIZACIÓN DE RAYOS X
Estos rayos X coherentes también pueden detectar movimiento, rastreando grupos de átomos que se mueven de forma independiente y errática. El nuevo estudio impulsa ese descubrimiento. Los científicos tomaron una onda dispersa de rayos X que rebotaba en la superficie rugosa de la película delgada que se depositaba en una cámara de vacío y la mezclaron con una onda dispersa de rayos X que provenían de los defectos desordenados, las nanocolumnas y los vacíos, que se formaban en y debajo de la superficie de la película.
Estas dos ondas mixtas funcionan un poco como una pistola de radar. Las ondas de la superficie forman una referencia de velocidad, mientras que las ondas del subsuelo forman una señal mucho más pequeña mezclada con esta onda de referencia. Los científicos observaron el patrón moteado de los rayos X que se dispersaban por la superficie en crecimiento de las películas delgadas. haciéndose más grueso a un ritmo conocido. Luego midieron cómo oscilaba este patrón moteado al interactuar con los rayos X que rebotaban en los defectos y el interior. Estas oscilaciones ("como un diapasón vibrante, ", Dice Headrick) son causados por átomos que van a diferentes velocidades, lo que le dio al equipo una medida sensible de las velocidades relativas de los átomos en movimiento. Pero en lugar de 55 mph, la superficie de la película delgada crece a unos pocos Angstroms por segundo. Algunos de los defectos crecen con él, mientras que otros se quedan en el nanopolvo.
"Este es un nuevo efecto de rayos X, "Randy Headrick dice:"que nos permite sentir materia desordenada en movimiento, a escala atómica".