Hace cien años, "2d" significaba dos centavos, o 1 pulgada, clavo. Hoy dia, "2-D" abarca una amplia gama de materiales planos atómicamente delgados, muchos con propiedades exóticas que no se encuentran en los equivalentes a granel de los mismos materiales, con grafeno, la forma de carbono de un solo átomo de espesor, quizás la más prominente. Si bien muchos investigadores del MIT y otros lugares están explorando materiales bidimensionales y sus propiedades especiales, Frances M. Ross, la profesora Ellen Swallow Richards en Ciencia e Ingeniería de Materiales, está interesado en lo que sucede cuando estos materiales bidimensionales y los materiales tridimensionales ordinarios se unen.

"Estamos interesados ​​en la interfaz entre un material 2-D y un material 3-D porque cada material 2-D que desee utilizar en una aplicación, como un dispositivo electrónico, todavía tiene que hablar con el mundo exterior, que es tridimensional, "Dice Ross.

"Estamos en un momento interesante porque hay inmensos avances en instrumentación para microscopía electrónica, y hay un gran interés en materiales con estructuras y propiedades controladas con mucha precisión, y estas dos cosas se cruzan de forma fascinante, "dice Ross.

"Las oportunidades son muy emocionantes, ", Dice Ross." Vamos a mejorar realmente las capacidades de caracterización aquí en el MIT ". Ross se especializa en examinar cómo los materiales a nanoescala crecen y reaccionan tanto en gases como en medios líquidos. grabando películas usando microscopía electrónica. La microscopía de reacciones en líquidos es particularmente útil para comprender los mecanismos de las reacciones electroquímicas que gobiernan el desempeño de los catalizadores. baterías celdas de combustible, y otras tecnologías importantes. "En el caso de la microscopía en fase líquida, también puede observar la corrosión donde las cosas se disuelven, mientras que en los gases puede observar cómo crecen los cristales individuales o cómo reaccionan los materiales, decir, oxígeno, " ella dice.

Ross se unió a la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) el año pasado, pasando del departamento de análisis de materiales a nanoescala del IBM Thomas J. Watson Research Center. "Aprendí muchísimo de mis colegas de IBM y espero ampliar nuestra investigación en diseño de materiales y crecimiento en nuevas direcciones, " ella dice.

Grabando peliculas

Durante una visita reciente a su laboratorio, Ross explicó una configuración experimental donada al MIT por IBM. Primero llegó un sistema de evaporación de vacío ultra alto, para ser conectado posteriormente directamente a un microscopio electrónico de transmisión especialmente diseñado. "Esto brinda posibilidades poderosas, "Ross explica." Podemos poner una muestra en el vacío, límpialo, hacer todo tipo de cosas, como calentar y agregar otros materiales, luego transfiéralo al vacío al microscopio, donde podemos hacer más experimentos mientras grabamos imágenes. Para que podamos, por ejemplo, depositar silicio o germanio, o evaporar metales, mientras la muestra está en el microscopio y el haz de electrones brilla a través de ella, y estamos grabando una película del proceso ".

Mientras espera esta primavera a que se instale el microscopio electrónico de transmisión, miembros del grupo de investigación de siete miembros de Ross, incluyendo el postdoctorado en ciencia e ingeniería de materiales Shu Fen Tan y la estudiante de posgrado Kate Reidy, Hizo y estudió una variedad de estructuras autoensambladas. El sistema de evaporación se alojó temporalmente en el espacio de creación de prototipos del quinto nivel de MIT.nano mientras se preparaba el laboratorio de Ross en el Edificio 13. "MIT.nano tenía los recursos y el espacio; estábamos felices de poder ayudar, "dice Anna Osherov, MIT.nano subdirector de servicios al usuario.

"Todos estamos interesados ​​en este gran desafío de la ciencia de los materiales, que es:"¿Cómo se hace un material con las propiedades que desea y, en particular, ¿Cómo se utilizan las dimensiones a nanoescala para modificar las propiedades? y crear nuevas propiedades, que no puede obtener de materiales a granel? "", dice Ross.

Usando el sistema de vacío ultra alto, La estudiante graduada Kate Reidy formó estructuras de oro y niobio en varios materiales 2-D. "Al oro le encanta convertirse en pequeños triángulos, "Ross observa." Hemos estado hablando con gente en física y ciencia de materiales sobre qué combinaciones de materiales son las más importantes para ellos en términos de controlar las estructuras y las interfaces entre los componentes con el fin de dar alguna mejora en las propiedades de el material, ", señala.

Shu Fen Tan sintetizó nanopartículas de níquel-platino y las examinó utilizando otra técnica, microscopía electrónica de células líquidas. Ella podía arreglar que solo se disolviera la moneda de cinco centavos, dejando atrás esqueletos puntiagudos de platino. "Dentro de la celda de líquido, podemos ver todo este proceso en altas resoluciones espaciales y temporales, "Tan dice. Explica que el platino es un metal noble y menos reactivo que el níquel, por tanto, en las condiciones adecuadas, el níquel participa en una reacción de disolución electroquímica y el platino se queda atrás.

El platino es un catalizador bien conocido en química orgánica y materiales de pilas de combustible, Notas de bronceado, pero también es caro, por lo que es deseable encontrar combinaciones con materiales menos costosos como el níquel.

"Este es un ejemplo de la gama de reacciones de materiales que se pueden visualizar en el microscopio electrónico utilizando la técnica de celda líquida, "Ross dice." Puedes cultivar materiales; puedes grabarlos; puedes mirar por ejemplo, formación de burbujas y movimiento de fluidos ".

Una aplicación particularmente importante de esta técnica es estudiar el ciclo de los materiales de la batería. "Obviamente, No puedo poner una pila AA aquí pero puede colocar los materiales importantes dentro de esta celda de líquido muy pequeña y luego puede alternarla de un lado a otro y preguntar, si lo cargo y descargo 10 veces, ¿lo que sucede? No funciona tan bien como antes, ¿cómo falla? ", Pregunta Ross." En la celda de líquido se puede observar algún tipo de análisis de fallas y todas las etapas intermedias de carga y descarga ".

"Los experimentos de microscopía en los que ves cada paso de una reacción te brindan una oportunidad mucho mayor de comprender lo que está sucediendo, "Dice Ross.

Patrones de muaré

La estudiante de posgrado Reidy está interesada en cómo controlar el crecimiento del oro en materiales 2-D como el grafeno, diselenuro de tungsteno, y disulfuro de molibdeno. Cuando depositó oro sobre grafeno "sucio", manchas de oro acumuladas alrededor de las impurezas. Pero cuando Reidy cultivó oro en grafeno que había sido calentado y limpiado de impurezas, encontró perfectos triángulos de oro. Depositando oro en los lados superior e inferior del grafeno limpio, Reidy vio en el microscopio características conocidas como patrones muaré, que se producen cuando las estructuras cristalinas superpuestas no están alineadas.

Los triángulos de oro pueden ser útiles como estructuras fotónicas y plasmónicas. "Creemos que esto podría ser importante para muchas aplicaciones, y siempre es interesante para nosotros ver qué pasa, ", Dice Reidy. Está planeando extender su método de crecimiento limpio para formar cristales de metal 3-D en materiales 2-D apilados con varios ángulos de rotación y otras estructuras de capas mixtas. Reidy está interesada en las propiedades del grafeno y el nitruro de boro hexagonal ( hBN), así como dos materiales que son semiconductores en su forma 2-D de una sola capa, disulfuro de molibdeno (MoS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2). "Un aspecto que es muy interesante en la comunidad de materiales 2-D son los contactos entre los materiales 2-D y los metales 3-D, "Dice Reidy." Si quieren hacer un dispositivo semiconductor o un dispositivo con grafeno, el contacto podría ser óhmico para la caja de grafeno o un contacto Schottky para la caja semiconductora, y la interfaz entre estos materiales es realmente, realmente importante."

"También puedes imaginar dispositivos que utilicen el grafeno como una capa espaciadora entre otros dos materiales, "Ross agrega.

Para los fabricantes de dispositivos, Reidy dice que a veces es importante hacer crecer un material 3-D con su disposición atómica alineada perfectamente con la disposición atómica en la capa 2-D debajo. A esto se le llama crecimiento epitaxial. Al describir una imagen de oro crecido junto con plata en grafeno, Reidy explica, "Descubrimos que la plata no crece epitaxialmente, no produce esos cristales únicos perfectos en grafeno que queríamos hacer, pero al depositar primero el oro y luego la plata a su alrededor, casi podemos forzar a la plata a adoptar una forma epitaxial porque quiere ajustarse a lo que están haciendo sus vecinos de oro ".

Las imágenes de microscopio electrónico también pueden mostrar imperfecciones en un cristal, como ondulaciones o flexiones, Notas de Reidy. "Una de las mejores cosas de la microscopía electrónica es que es muy sensible a los cambios en la disposición de los átomos, ", Dice Ross." Podrías tener un cristal perfecto y todo se vería del mismo tono de gris, pero si tiene un cambio local en la estructura, incluso un cambio sutil, la microscopía electrónica puede detectarlo. Incluso si el cambio es solo dentro de las pocas capas superiores de átomos sin afectar el resto del material debajo, la imagen mostrará características distintivas que nos permitirán averiguar qué está pasando ".

Reidy también está explorando las posibilidades de combinar niobio, un metal que es superconductor a bajas temperaturas, con un aislante topológico 2-D, telururo de bismuto. Los aislantes topológicos tienen propiedades fascinantes cuyo descubrimiento resultó en el Premio Nobel de Física en 2016. "Si deposita niobio sobre el telururo de bismuto, con muy buena interfaz, puedes hacer uniones superconductoras. Hemos estado investigando la deposición de niobio, y en lugar de triángulos, vemos estructuras que tienen un aspecto más dendrítico, ", Dice Reidy. Las estructuras dendríticas se parecen a los patrones de escarcha que se forman en el interior de las ventanas en invierno, o los patrones plumosos de algunos helechos. Cambiar la temperatura y otras condiciones durante la deposición de niobio puede cambiar los patrones que adopta el material.

Todos los investigadores están ansiosos por que lleguen nuevos microscopios electrónicos al MIT.nano para brindar más información sobre el comportamiento de estos materiales. "Sucederán muchas cosas durante el próximo año, las cosas ya están aumentando, y tengo grandes personas con las que trabajar. Un nuevo microscopio se está instalando ahora en MIT.nano y otro llegará el próximo año. Toda la comunidad verá los beneficios de las capacidades mejoradas de caracterización de microscopía aquí, "Dice Ross.

Osherov de MIT.nano señala que dos microscopios electrónicos de transmisión criogénica (cryo-TEM) están instalados y funcionando. "Nuestro objetivo es establecer una comunidad única centrada en la microscopía. Alentamos y esperamos facilitar una polinización cruzada entre los investigadores de crio-EM, centrado principalmente en aplicaciones biológicas y material 'blando', así como otras comunidades de investigación en todo el campus, ", dice. La última incorporación de un microscopio electrónico de transmisión de barrido con capacidades analíticas mejoradas (monocromador de resolución de energía ultra alta, Detector STEM 4-D, Detector Super-X EDS, tomografía, y varios titulares in situ) traídos por el profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales John Chipman James M. LeBeau, una vez instalada, mejorará sustancialmente las capacidades de microscopía del campus del MIT. "Consideramos que el profesor Ross es un recurso inmenso para asesorarnos sobre cómo dar forma al enfoque in situ de las mediciones utilizando la instrumentación avanzada que será compartida y disponible para todos los investigadores dentro de la comunidad del MIT y más allá, "Dice Osherov.

Pajitas para beber

"A veces sabes más o menos lo que vas a ver durante un experimento de crecimiento, pero muy a menudo hay algo que no esperas "Ross dice. Ella muestra un ejemplo de nanocables de óxido de zinc que se cultivaron usando un catalizador de germanio. Algunos de los cristales largos tienen un agujero en el centro, creando estructuras que son como pajitas para beber, exterior circular pero con un interior de forma hexagonal. "Este es un solo cristal de óxido de zinc, y la pregunta interesante para nosotros es por qué las condiciones experimentales crean estas facetas en el interior, mientras que el exterior es liso ", pregunta Ross." Las nanoestructuras de óxido metálico tienen tantas aplicaciones diferentes, y cada nueva estructura puede mostrar diferentes propiedades. En particular, al ir a la nanoescala, obtienes acceso a un conjunto diverso de propiedades ".

"Por último, nos gustaría desarrollar técnicas para hacer crecer estructuras bien definidas a partir de óxidos metálicos, especialmente si podemos controlar la composición en cada lugar de la estructura, ", Dice Ross. Una clave de este enfoque es el autoensamblaje, donde el material se construye a sí mismo en la estructura que desea sin tener que modificar individualmente cada componente. "El autoensamblaje funciona muy bien para ciertos materiales, pero el problema es que siempre hay cierta incertidumbre, alguna aleatoriedad o fluctuaciones. Hay poco control sobre las estructuras exactas que obtienes. Entonces, la idea es tratar de comprender el autoensamblaje lo suficientemente bien como para poder controlarlo y obtener las propiedades que desea, "Dice Ross.

"Tenemos que entender cómo los átomos terminan donde están, luego use esa capacidad de autoensamblaje de los átomos para hacer la estructura que queremos. La forma de entender cómo se ensamblan las cosas por sí mismas es observar cómo lo hacen, y eso requiere películas con alta resolución espacial y buena resolución de tiempo, "Ross explica. La microscopía electrónica se puede utilizar para adquirir información estructural y de composición e incluso puede medir campos de deformación o campos eléctricos y magnéticos". Imagine registrar todas estas cosas, pero en una película en la que también controlas cómo crecen los materiales dentro del microscopio. Una vez que haya hecho una película de algo que está sucediendo, analiza todos los pasos del proceso de crecimiento y lo usa para comprender qué principios físicos fueron los clave que determinaron cómo la estructura se nucleó y evolucionó y terminó de la manera en que lo hace ".

Direcciones futuras

Ross espera traer una alta resolución única, TEM de alto vacío con capacidad para visualizar el crecimiento de materiales y otros procesos dinámicos. Tiene la intención de desarrollar nuevas capacidades para entornos tanto a base de agua como a base de gas. Este microscopio personalizado aún se encuentra en las etapas de planificación, pero estará ubicado en una de las salas de Imaging Suite en MIT.nano.

"El profesor Ross es un pionero en este campo, ", Dice Osherov." La mayoría de los estudios TEM hasta la fecha han sido estáticos, en lugar de dinámico. Con las mediciones estáticas, está observando una muestra en una instantánea particular en el tiempo, para que no obtenga ninguna información sobre cómo se formó. Usando medidas dinámicas, puedes mirar los átomos saltando de un estado a otro hasta que encuentran la posición final. La capacidad de observar los procesos de autoensamblaje y el crecimiento en tiempo real proporciona valiosos conocimientos mecánicos. Esperamos poder llevar estas capacidades avanzadas a MIT.nano ", dice.

"Una vez que una determinada técnica se difunde al público, llama la atención, "Dice Osherov." Cuando se publican los resultados, los investigadores amplían su visión del diseño experimental en función de las capacidades de vanguardia disponibles, dando lugar a muchos experimentos nuevos que se centrarán en aplicaciones dinámicas ".

Las habitaciones en MIT.nano cuentan con el espacio más silencioso del campus del MIT, diseñado para reducir las vibraciones y las interferencias electromagnéticas al nivel más bajo posible. "Hay espacio disponible para que la profesora Ross continúe su investigación y la desarrolle aún más, ", Dice Osherov." La capacidad de monitorear in situ la formación de materia e interfaces encontrará aplicaciones en múltiples campos en todo el campus, y conducir a un mayor empuje de los límites convencionales de microscopía electrónica ".

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.