Cuando a alguien se le ocurre la palabra "magnificar", se refiere a acercar objetos distantes o a agrandar objetos pequeños en una escala tangible. No hay duda de que el poder de los instrumentos de aumento, independientemente de la escala y la dirección, puede conducir al avance del campo científico. Desde su lanzamiento en 2021, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) se ha embarcado en una misión para recopilar datos sin precedentes del universo profundo, con el objetivo de ampliar nuestra comprensión del universo temprano y el ciclo de vida de los cuerpos celestes.
La analogía adecuada para el JWST en el mundo atómico es el microscopio electrónico con corrección de aberraciones (ACEM). Al aprovechar un electrón altamente coherente junto con un corrector de aberración, el microscopio destaca en la resolución de características subatómicas, lo que permite una exploración exhaustiva de la relación estructura-funcional de los materiales. Como elemento básico para los navegantes del nanomundo, el ACEM moderno puede proporcionar información invaluable que sigue siendo irreemplazable por otros métodos de caracterización.
La contradicción surge de la naturaleza dual de los electrones de alta energía. La propiedad ondulatoria del electrón permite obtener imágenes de alta resolución, mientras que su propiedad partícula hace que las colisiones sean inevitables. A medida que la partícula viaja a través del gas a presión ambiental, su camino libre medio (la distancia que pueden viajar antes de cambiar sustancialmente su dirección o energía original) solo se limita a aproximadamente 100 nm.
Las colisiones balísticas alteran la dirección del electrón o agotan su energía, lo que dificulta significativamente el rendimiento de la óptica del electrón. Para evitar estas colisiones, la columna del microscopio generalmente se mantiene en condiciones de vacío ultraalto, que son al menos 10 10 veces más fino que el aire ambiente.
La naturaleza del ACEM restringe su aplicabilidad a muestras estáticas, delgadas y sólidas. Sin embargo, los materiales abarcan varios estados de la materia más allá de los sólidos, incluidos líquidos, gases y plasmas. Para observar reacciones a nanoescala, es esencial encapsular los medios fluídicos involucrados dentro de un nanorreactor sellado, evitando su disipación. La utilización de la técnica de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de nitruro de silicio aborda estas necesidades especiales, permitiendo a los investigadores explorar reacciones a nanoescala.
La película de nitruro de silicio, que sirve como membrana de encapsulación, puede producirse convenientemente con un espesor del orden de unas pocas decenas de nanómetros mediante un proceso de deposición química de vapor. Estas películas exhiben una resistencia razonable a los golpes mecánicos, particularmente cuando tienen más de cierto espesor, aunque existe una relación de compensación con la transparencia de los electrones.
De manera análoga a un acuario con una pared de vidrio de varios pies de espesor, que puede ser lo suficientemente robusta como para contener una gran cantidad de agua, maximizar la visibilidad a través del vidrio se convierte en un desafío. Por lo tanto, diseñar la "pared" es crucial para garantizar una visibilidad óptima tanto en los acuarios como en el contenedor de fluido de ACEM.
Para abordar este desafío, nos inspiramos en la colmena, una estructura que soporta altas tensiones mecánicas utilizando un mínimo de material. Nuestra solución implica la creación de un sistema de soporte hexagonal que llena el espacio utilizando silicio fuertemente dopado debajo del nitruro de silicio ultrafino, logrando esto con solo 1/5 del espesor del método convencional.
La estructura en forma de colmena maximiza la apertura para observar las reacciones y proporciona una resistencia óptima bajo tensión mecánica. A través de este avance ultrafino, la membrana se puede adelgazar hasta una escala nanométrica de un solo dígito, aproximadamente 1/10.000 del grosor de un cabello humano, sin experimentar roturas ni fugas en el microscopio.
La transparencia de la membrana ultrafina permite el mapeo de fluidos con resolución espacial subnanométrica y una supresión significativa de la dispersión adversa de electrones, una capacidad que no se puede lograr con materiales envolventes convencionales. Este avance permite una sensibilidad en la fase gaseosa hasta el punto de detectar un puñado de moléculas de gas dentro del microscopio electrónico de transmisión (TEM). Este nivel de sensibilidad permite capturar reacciones que ocurren en la interfaz gas-sólido con una resolución temporal de escala de microsegundos.
Como ejemplo ilustrativo, visualizamos la inserción de átomos de hidrógeno en paladio metálico en condiciones de temperatura y presión ambiente. Esta tecnología tiene un inmenso potencial para desarrollar e investigar nanocatalizadores para la captura de carbono en fase gaseosa, así como para materiales energéticos como pilas de combustible y baterías de metal-aire, lo que proporciona conocimientos a escala atómica. Nuestro trabajo está publicado en la revista Science Advances .
Aunque operamos a una escala y alcance diferentes, trazamos un paralelo entre este desarrollo y las capacidades innovadoras del Telescopio Espacial James Webb (JWST), que está entregando imágenes y datos sin precedentes que desafían las teorías cosmológicas. Además, proponemos que esta estrategia innovadora para diseñar microchips con membranas ultrafinas se pueda extender a diversas aplicaciones en las que las membranas delgadas sirvan como encapsulaciones y/o materiales de soporte, con implicaciones que se extienden más allá del campo de la nanociencia.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.
Más información: Kunmo Koo et al, Microchip de nitruro de silicio ultrafino para microscopía in situ/operando con alta resolución espacial y visibilidad espectral, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417
Información de la revista: Avances científicos
El Dr. Kunmo Koo es investigador asociado en el Centro NUANCE. El Dr. Xiaobing Hu es profesor asociado de investigación en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales y director de instalaciones TEM en el centro NUANCE. El Dr. Vinayak P. Dravid es profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales y director fundador del Centro NUANCE.
