(a) Una imagen HAADF de una nanopartícula de oro en forma de varilla. Los puntos brillantes corresponden a átomos individuales. (b) Desplazamientos atómicos brutos calculados mediante un método convencional. Los desplazamientos más grandes en cualquier dirección se muestran en azul más oscuro y amarillo más claro. El ruido en la medición se puede apreciar en la granularidad de la imagen. (c) Los verdaderos desplazamientos predichos por GPR. El componente de ruido se eliminó correctamente. (d) Mapa de deformaciones locales en la nanovarilla. Ambos extremos de la tapa exhiben áreas de color amarillo brillante, indicando deformación por tracción a lo largo del eje largo. (e) Comparación con el método convencional. Al usar GPR, la cepa local mínima detectable se mejoró del 1,1% al 0,2%. Crédito:Kohei Aso de JAIST.
Algunas veces, la propiedad de un material, como el magnetismo y la catálisis, puede cambiar drásticamente debido a nada más que cambios mínimos en la separación entre sus átomos, comúnmente conocido como "tensiones locales" en el lenguaje de la ciencia de los materiales. Una medida precisa de tales cepas locales es, por lo tanto, importante para los científicos de materiales.
Una técnica poderosa empleada para este propósito es la 'imagen anular de campo oscuro de alto ángulo' (HAADF), un enfoque dentro de la microscopía electrónica de transmisión de barrido que produce imágenes con puntos brillantes que teóricamente coinciden con las posiciones atómicas. Sin embargo, en la práctica, Las imágenes HAADF a menudo se distorsionan debido al ruido mecánico y eléctrico en el aparato, limitando las cepas locales medibles más pequeñas a un poco más del 1%.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por el profesor asistente Kohei Aso del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), Japón, han aprovechado un método del campo de la ciencia de datos para medir la distribución de deformaciones en materiales con mayor precisión, mejorando la precisión de las imágenes HAADF. Este estudio, publicado en ACS Nano , se llevó a cabo en colaboración con el profesor Yoshifumi Oshima de JAIST, luego el estudiante de posgrado Jens Maebe, becario postdoctoral Xuan Quy Tran, Profesor asistente Tomokazu Yamamoto, y el profesor Syo Matsumura de la Universidad de Kyushu, Japón.
El equipo combinó imágenes HAADF con regresión del proceso gaussiano (GPR), una técnica de procesamiento de datos comúnmente utilizada en el aprendizaje automático y en campos como la economía y la geología. En un proceso gaussiano, el verdadero estado de los datos (en este caso, posiciones atómicas o desplazamiento) se supone que está representado por una función suave, y se agrega ruido aleatorio a este "estado verdadero" cuando se observan los datos. Al invertir este proceso a través de GPR, uno puede estimar con mayor precisión las verdaderas posiciones de los átomos, y así calcular las deformaciones locales con mayor precisión. Específicamente, el método propuesto permitió al equipo medir la deformación con una precisión del 0,2%.
El equipo demostró el potencial de su enfoque midiendo las deformaciones locales en nanoestructuras de oro y comparando las deformaciones de tracción en una nanoesfera de oro con las de las nanovarillas de oro (esencialmente cilindros con tapas hemisféricas) de diferentes longitudes. Estas comparaciones revelaron que las distribuciones de cepas en las nanopartículas de oro variaban según su forma, con nanobarras que exhiben una deformación por tracción de aproximadamente 0,5% cerca de la región donde la curvatura cambia abruptamente. El Dr. Aso explica que "se sabe que las nanopartículas de oro esféricas están sometidas a una tensión uniforme en toda su superficie, y esta tensión es proporcional a la tensión superficial. Por lo tanto, La deformación por compresión uniforme se produce en la dirección perpendicular a la superficie. A diferencia de, en nanovarillas de oro, la tensión aplicada a la superficie se vuelve no uniforme, y los científicos han teorizado que la deformación por tracción debería ocurrir en ciertos lugares. Sin embargo, esto no había sido probado experimentalmente, hasta ahora."
Con estos hallazgos, el equipo está encantado con las perspectivas futuras de su estrategia de medición de deformaciones. "Nuestra técnica proporcionará información detallada sobre el mundo atómico, lo cual es necesario para el desarrollo de materiales y dispositivos innovadores con alto rendimiento y pequeño tamaño. Esto podría ser útil para el desarrollo de dispositivos y sensores que empleen estructuras y materiales a nanoescala. Es más, el método no requiere modificaciones costosas ni procedimientos complicados y puede adoptarse fácilmente, "dice el Dr. Aso.
