El uso de una herramienta familiar de una manera que nunca fue diseñada para ser utilizada abre un método completamente nuevo para explorar materiales, informan a los investigadores de UConn en Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Sus hallazgos específicos podrían algún día crear chips de computadora mucho más eficientes desde el punto de vista energético, pero la nueva técnica en sí misma podría abrir nuevos descubrimientos en una amplia gama de materias.

Los microscopios de fuerza atómica (AFM) arrastran una punta ultra afilada a través de los materiales, siempre tan cerca pero sin tocar la superficie. La punta puede sentir dónde está la superficie, detectar fuerzas eléctricas y magnéticas producidas por el material. Pasándolo metódicamente de un lado a otro, un investigador puede trazar un mapa de las propiedades de la superficie de un material de la misma manera que un topógrafo recorre metódicamente un terreno para trazar un mapa del territorio. Los AFM pueden dar un mapa de los agujeros de un material, protuberancias, y propiedades a una escala miles de veces más pequeña que un grano de sal.

Los AFM están diseñados para investigar superficies. La mayor parte del tiempo el usuario se esfuerza mucho por no golpear el material con la punta, ya que podría dañar la superficie del material. Pero a veces sucede. Hace unos pocos años, la estudiante de posgrado Yasemin Kutes y Justin Luria, un postdoctorado, estudiando células solares en el laboratorio del profesor de ingeniería y ciencia de los materiales Brian Huey, cavó accidentalmente en su muestra. Al principio, pensando que era un error irritante, notaron que las propiedades del material se veían diferentes cuando Kutes clavó la punta del AFM profundamente en la zanja que había cavado accidentalmente.

Kutes y Luria no lo siguieron. Pero otro estudiante de posgrado, James Steffes, se inspiró para mirar más de cerca la idea. ¿Qué pasaría si utilizaras intencionalmente la punta de un AFM como un cincel, y excavado en un material, ¿el se preguntó? ¿Sería capaz de trazar un mapa de las propiedades eléctricas y magnéticas capa por capa? construir una imagen en 3-D de las propiedades del material de la misma manera que mapeó la superficie en 2-D? ¿Y las propiedades se verían diferentes en el interior de un material?

Las respuestas, Steffes, Huey, y sus colegas informan en PNAS , son si y si. Cavaron en una muestra de ferrita de bismuto (BiFeO3), que es un multiferroico a temperatura ambiente. Multiferroics son materiales que pueden tener múltiples propiedades eléctricas o magnéticas al mismo tiempo. Por ejemplo, La ferrita de bismuto es antiferromagnética:responde a campos magnéticos, pero en general no exhibe un polo magnético norte o sur, y ferroeléctrico, lo que significa que tiene polarización eléctrica conmutable. Dichos materiales ferroeléctricos suelen estar compuestos de pequeñas secciones, llamados dominios. Cada dominio es como un grupo de baterías que tienen todos sus terminales positivos alineados en la misma dirección. Los grupos a ambos lados de ese dominio apuntarán en otra dirección. Son muy valiosos para la memoria de la computadora, porque la computadora puede cambiar los dominios, 'escribiendo' en el material, utilizando campos magnéticos o eléctricos.

Cuando un científico de materiales lee o escribe información en una pieza de ferrita de bismuto, normalmente solo pueden ver lo que sucede en la superficie. Pero les encantaría saber qué sucede debajo de la superficie, si se entendiera, podría ser posible diseñar el material en chips de computadora más eficientes que funcionen más rápido y consuman menos energía que los disponibles en la actualidad. Eso podría marcar una gran diferencia en el consumo general de energía de la sociedad; ya, El 5 por ciento de toda la electricidad consumida en los EE. UU. Se destina a las computadoras en funcionamiento.

Descubrir, Steffes, Huey, y el resto del equipo utilizó una punta de AFM para excavar meticulosamente una película de ferrita de bismuto y trazar un mapa del interior, pieza por pieza. Descubrieron que podían mapear los dominios individuales hasta el final, exponiendo patrones y propiedades que no siempre fueron evidentes en la superficie. A veces, un dominio se redujo hasta que desapareció o se dividió en forma de Y, o fusionado con otro dominio. Nadie había podido ver el interior del material de esta manera antes. Fue revelador como mirar una tomografía computarizada en 3-D de un hueso cuando antes solo había podido leer radiografías en 2-D.

"En todo el mundo, hay algo como 30, 000 AFM ya instalados. Una gran parte de ellos probará [mapeo 3D con] AFM en 2019, a medida que nuestra comunidad se da cuenta de que han estado rascando la superficie todo este tiempo, "Huey predice. También cree que más laboratorios comprarán AFM ahora si se demuestra que el mapeo 3D funciona para sus materiales, y algunos fabricantes de microscopios comenzarán a diseñar AFM específicamente para escaneo 3D.

Steffes se graduó posteriormente de UConn con su Ph.D. y ahora trabaja en GlobalFoundries, un fabricante de chips de computadora. Investigadores de Intel, muRata, y en otros lugares también están intrigados con lo que el grupo descubrió sobre la ferrita de bismuto, mientras buscan nuevos materiales para fabricar la próxima generación de chips de computadora. El equipo de Huey, mientras tanto, ahora utiliza AFM para profundizar en todo tipo de materiales, desde el hormigón hasta el hueso y una gran cantidad de componentes informáticos.

"Trabajando con socios académicos y corporativos, podemos utilizar nuestra nueva perspectiva para comprender cómo diseñar mejor estos materiales para que utilicen menos energía, optimizar su rendimiento, y mejorar su confiabilidad y vida útil:esos son ejemplos de lo que los científicos de materiales se esfuerzan por hacer todos los días, "Dice Huey.