La forma del cristal y la altura de un material conocido como PTCDA, con la altura representada por el sombreado (el blanco es más alto, el naranja más oscuro es el más bajo). La barra de escala blanca representa 500 nanómetros. La ilustración de la parte inferior es una representación de la forma del cristal. Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
Detallar la composición molecular de los materiales, desde células solares hasta diodos emisores de luz (LED) orgánicos y transistores, y proteínas de importancia médica, no siempre es un proceso claro como el cristal.
Para comprender cómo funcionan los materiales a estas escalas microscópicas, y diseñar mejor los materiales para mejorar su función, es necesario conocer no solo su composición sino también su disposición molecular e imperfecciones microscópicas.
Ahora, Un equipo de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha demostrado la obtención de imágenes infrarrojas de un semiconductor orgánico conocido por sus capacidades electrónicas. revelando detalles clave a nanoescala sobre la naturaleza de las formas y orientaciones de sus cristales, y defectos que también afectan su desempeño.
Para lograr este gran avance en imágenes, Los investigadores de la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab y la Universidad de Colorado-Boulder (CU-Boulder) combinaron el poder de la luz infrarroja del ALS y la luz infrarroja de un láser con una herramienta conocida como microscopio de fuerza atómica. La ELA, un sincrotrón, produce luz en una gama de longitudes de onda o "colores", desde infrarrojos hasta rayos X, al acelerar los haces de electrones a una velocidad cercana a la de la luz alrededor de las curvas.
Los investigadores enfocaron ambas fuentes de luz infrarroja en la punta del microscopio de fuerza atómica, que funciona un poco como la aguja de un tocadiscos:se mueve a través de la superficie de un material y mide las características más sutiles de la superficie a medida que se eleva y desciende.
La técnica, detallado en una edición reciente de la revista Avances de la ciencia , permite a los investigadores sintonizar la luz infrarroja en enlaces químicos específicos y su disposición en una muestra, mostrar características de cristal detalladas, y explorar el entorno químico a nanoescala en muestras.
"Nuestra técnica es de amplia aplicación, ", dijo Hans Bechtel, un científico de ALS." Podría usar esto para muchos tipos de material; la única limitación es que tiene que ser relativamente plano "para que la punta del microscopio de fuerza atómica pueda moverse a través de sus picos y valles.
Los investigadores midieron la orientación molecular de los cristales (gris claro y blanco) en muestras de un material semiconductor conocido como PTCDA. La barra de escala es de 500 nanómetros. Los puntos de colores corresponden a la orientación de los cristales en la barra de color de la izquierda. Las figuras del extremo izquierdo muestran la punta del microscopio de fuerza atómica en relación con las diferentes orientaciones de los cristales. Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
Markus Raschke, un profesor de CU-Boulder que desarrolló la técnica de imagen con Eric Muller, un investigador postdoctoral en su grupo, dijo, "Si conoce la composición molecular y la orientación de estos materiales orgánicos, puede optimizar sus propiedades de una manera mucho más sencilla.
“Este trabajo está informando el diseño de materiales. La sensibilidad de esta técnica va de un promedio de millones de moléculas a unos pocos cientos, y la resolución de la imagen va de la escala de micrones (millonésimas de pulgada) a la nanoescala (mil millonésimas de pulgada), " él dijo.
La luz infrarroja del sincrotrón proporcionó la banda ancha esencial del espectro infrarrojo, lo que lo hace sensible a muchos enlaces químicos diferentes al mismo tiempo y también proporciona la orientación molecular de la muestra. El láser infrarrojo convencional, con su alta potencia pero con un estrecho rango de luz infrarroja, mientras tanto, permitió a los investigadores hacer zoom en enlaces específicos para obtener imágenes muy detalladas.
"Ni el sincrotrón ALS ni el láser por sí solos nos habrían dado este nivel de conocimiento microscópico, "Raschke dijo, mientras que la combinación de los dos proporcionó una poderosa prueba "mayor que la suma de sus partes".
Hace una década, Raschke exploró por primera vez la nanoespectroscopia infrarroja basada en sincrotrón utilizando el sincrotrón BESSY en Berlín. Con su ayuda y la de los científicos de ALS Michael Martin y Bechtel, El ALS en 2014 se convirtió en el primer sincrotrón en ofrecer imágenes infrarrojas a nanoescala a los científicos visitantes.
La técnica es particularmente útil para el estudio y comprensión de los llamados "materiales funcionales" que poseen fotónicos especiales, electrónico, o propiedades de conversión o almacenamiento de energía, El lo notó.
En principio, él agregó, el nuevo avance en la determinación de la orientación molecular podría adaptarse a los estudios biológicos de proteínas. "La orientación molecular es fundamental para determinar la función biológica, Raschke dijo. La orientación de las moléculas determina cómo la energía y la carga fluyen a través de las membranas celulares a los materiales de conversión de energía solar molecular.
La luz infrarroja (rosa) producida por el sincrotrón de fuente de luz avanzada de Berkeley Lab (arriba a la izquierda) y un láser convencional (centro a la izquierda) se combinan y enfocan en la punta de un microscopio de fuerza atómica (gris, inferior derecha), donde se utiliza para medir detalles a nanoescala en una muestra de cristal (rojo oscuro). Crédito:Berkeley Lab, CU-Boulder
Bechtel dijo que la técnica infrarroja permite una resolución de imágenes de hasta aproximadamente 10-20 nanómetros, que puede resolver características hasta 50, 000 veces más pequeño que un grano de arena.
La técnica de imagen utilizada en estos experimentos, conocido como "microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, "o s-SNOM, esencialmente utiliza la punta del microscopio de fuerza atómica como una antena ultrasensible, que transmite y recibe luz infrarroja enfocada en la región del ápice de la punta. Luz dispersa, capturado desde la punta a medida que se mueve sobre la muestra, es registrado por un detector para producir imágenes de alta resolución.
"No es invasivo, y proporciona información sobre vibraciones moleculares, "a medida que la punta del microscopio se mueve sobre la muestra, Dijo Bechtel. Los investigadores utilizaron la técnica para estudiar las características cristalinas de un material semiconductor orgánico conocido como PTCDA (dianhídrido perilentetracarboxílico).
Los investigadores informaron que observaron defectos en la orientación de la estructura cristalina del material que proporcionan una nueva comprensión del mecanismo de crecimiento de los cristales y podrían ayudar en el diseño de dispositivos moleculares que utilizan este material.
La nueva capacidad de imágenes prepara el escenario para un nuevo Centro Nacional de la Fundación de Ciencias, anunciado a finales de septiembre, que vincula CU-Boulder con Berkeley Lab, UC Berkeley, Universidad Internacional de Florida, UC Irvine, y Fort Lewis College en Durango, Colo. El centro combinará una variedad de métodos de obtención de imágenes microscópicas, incluidos los que usan electrones, Rayos X, y ligero, en una amplia gama de disciplinas.
Este centro, denominado STROBE para el Centro de ciencia y tecnología de imágenes funcionales en tiempo real, estará dirigida por Margaret Murnane, un profesor distinguido en CU-Boulder, con Raschke como co-líder.
En Berkeley Lab, STROBE contará con una variedad de capacidades ALS, incluyendo las líneas de luz infrarrojas gestionadas por Bechtel y Martin y una nueva línea de luz denominada COSMIC (para "dispersión coherente y microscopía"). También se beneficiará de las herramientas de análisis de datos desarrolladas por Berkeley Lab.
