La profesora Frances Ross se unió al Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT este otoño después de una carrera en el desarrollo de técnicas que sondean las reacciones de los materiales mientras tienen lugar. Anteriormente en el IBM Thomas J. Watson Research Center en Yorktown Heights, Nueva York, Ross aporta al MIT su experiencia en la aplicación de microscopía electrónica de transmisión para comprender cómo se forman las nanoestructuras en tiempo real y utilizar los datos de dichas películas para desarrollar nuevas estructuras y vías de crecimiento.

P:¿Qué conocimientos obtenemos al observar la formación de estructuras cristalinas a nanoescala en tiempo real que se perdieron cuando la observación se limitó a analizar estructuras solo después de su formación?

R:Grabar una película de algo que está creciendo, en lugar de imágenes antes y después del crecimiento, tiene muchas ventajas interesantes. La película nos ofrece una visión continua de un proceso, que muestra la evolución completa. Esto puede incluir información detallada como la tasa de crecimiento de un nanocristal individual. La grabación de una vista continua facilita la captura de un evento de nucleación rápida o una forma intermedia de corta duración. que a menudo puede ser bastante inesperado. La película también nos da una ventana al comportamiento de los materiales en condiciones reales de procesamiento, evitando los cambios que suelen ocurrir cuando detiene el crecimiento para prepararse para el análisis posterior al crecimiento. Y finalmente, es posible hacer crecer un solo objeto y luego medir sus propiedades, como la conductividad eléctrica de un nanoalambre o el punto de fusión de un nanocristal. Por supuesto, obtener dicha información implica una mayor complejidad experimental, pero los resultados hacen que este esfuerzo adicional valga la pena, y disfrutamos mucho diseñando y realizando estos experimentos.

P:¿Cuál será su papel en el avance de estas técnicas a través de la nueva instalación MIT.nano?

R:MIT.nano tiene algunas habitaciones muy tranquilas en la planta baja. Las habitaciones están diseñadas para tener una temperatura estable y minimizar las vibraciones y campos electromagnéticos del entorno, incluida la cercana línea T [metro]. Nuestro plan es utilizar una de estas salas para un nuevo microscopio electrónico único. Estará diseñado para experimentos de crecimiento que involucren materiales bidimensionales:no solo el famoso grafeno sino también otros. Planeamos estudiar reacciones de crecimiento donde los nanocristales "convencionales" (tridimensionales) crecen en materiales bidimensionales, un paso necesario para aprovechar al máximo las nuevas e interesantes oportunidades que ofrecen los materiales bidimensionales. Las reacciones de crecimiento que involucran materiales bidimensionales son difíciles de estudiar con nuestro equipo existente porque los materiales son dañados por los electrones utilizados para la formación de imágenes. El nuevo microscopio utilizará electrones de voltaje más bajo y tendrá un alto vacío para un control preciso del entorno y capacidades para llevar a cabo el crecimiento y otros procesos utilizando gases reactivos. Este microscopio también beneficiará a los estudios de crecimiento en muchos otros materiales. Pero no todos los experimentos requieren equipos tan avanzados, y también planeamos desarrollar nuevas capacidades, particularmente para observar reacciones en líquidos, en los microscopios que ya están operando en el Edificio 13.

P:¿Qué tecnologías se beneficiarán más inmediatamente a través de una mejor observación de la formación de estructuras a nanoescala?

R:Creo que cualquier nueva forma de ver un material o un proceso tiende a afectar un área mucho más amplia de lo que imagina en un principio. Ha sido muy emocionante ver cuántas áreas han aprovechado las oportunidades presentadas por este tipo de experimentos de crecimiento. Los procesos de crecimiento en líquidos ya han probado los catalizadores en acción, biomineralización, física de fluidos (como burbujas a nanoescala), corrosión, y materiales para baterías recargables. Algunos biológicos geológico, o los procesos atmosféricos también se beneficiarán eventualmente de este tipo de microscopía. Las reacciones de crecimiento que involucran gases son particularmente adecuadas para abordar preguntas en catálisis (nuevamente), películas y revestimientos delgados, procesamiento para microelectrónica, estructuras utilizadas en iluminación de estado sólido, y una variedad de otras áreas tecnológicas. Nuestro enfoque ha sido elegir materiales relativamente simples que tienen aplicaciones útiles:silicio, germanio, cobre, pero luego use los experimentos para investigar la física básica que subyace a la reacción de los materiales y ver cómo eso podría enseñarnos cómo construir estructuras más complejas. El modelo más simple y general es el que explica nuestras observaciones, más felices somos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.