Investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado un método novedoso para albergar moléculas de gas mientras se analizan en tiempo real, utilizando estructuras en forma de panal que se encuentran en la naturaleza como inspiración para una membrana cerámica ultrafina que incorporaron para encerrar la muestra.

Además de inferir las firmas de los átomos de gas a través de sus enlaces únicos, la estrategia de encapsulación funciona dentro de microscopios electrónicos de transmisión (TEM) de alto vacío para mejorar la obtención de imágenes de nanoestructuras sólidas. Estas herramientas se pueden utilizar en todos los ámbitos, desde laboratorios nacionales que realizan investigación básica hasta empresas emergentes innovadoras que crean aplicaciones prácticas.

Cuando los electrones se alejan de su trayectoria original al pasar a través de una muestra, la resolución y el contraste de la imagen se degradan. Diseñado por un equipo de científicos de materiales de Northwestern, el microchip de nitruro de silicio resultante minimizó la dispersión de fondo.

"Nuestro equipo ha desarrollado una membrana que es tan delgada que los electrones pueden pasar a través del nanorreactor con una mínima distracción", dijo el científico de materiales Vinayak Dravid. "Anclamos una película ultrafina de nitruro de silicio en nuestra estructura alveolar, lo que nos da una célula con membranas a ambos lados".

El artículo fue publicado el 17 de enero en la revista Science Advances. .

Dravid, autor del artículo, es profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y director fundador del Centro NUANCE, donde se llevó a cabo el trabajo. También se desempeña como director asociado de iniciativas globales en el Instituto Internacional de Nanotecnología.

Junto con Xiaobing Hu, coautor correspondiente y profesor asociado de investigación en el departamento de ingeniería y ciencia de materiales, y Kunmo Koo, primer autor e investigador asociado en el Centro NUANCE, el equipo de investigación de Dravid desarrolló la plataforma para celdas de gas utilizando una membrana. -una quinta parte del grosor de los microchips disponibles comercialmente.

Las imágenes de antes y después que muestran las reacciones fueron sorprendentes.

"El espesor de las membranas convencionales tiende a ser muy grande para mantener la integridad mecánica bajo el vacío extremadamente alto que crea el microscopio", dijo Dravid. "Imagínate que tuviera que usar gafas muy gruesas que absorben mucha luz y, como resultado, no veo mucho. Las imágenes que producimos con nuestro invento parecen casi como si las gafas estuvieran desempañadas."

Dravid comparó la diferencia con la del Telescopio Espacial James Webb, en el que se enfocaron cuerpos previamente invisibles. Es importante destacar que la membrana permitió al equipo utilizar la espectroscopía para realizar un análisis "hasta un puñado de átomos de gas", discerniendo, por ejemplo, una diferencia entre moléculas que antes parecían idénticas, como el dióxido de carbono (CO₂). ) y monóxido de carbono (CO), que son fundamentales en las tecnologías de energía limpia emergentes.

La espectroscopia permite a los investigadores ver cómo los electrones interactúan con los átomos que están obteniendo imágenes, viendo cómo absorben, reflejan o emiten energías específicas, al tiempo que revelan una huella espectroscópica única.

Desarrollar un método para analizar cómo cambian las cosas con el tiempo, la presión y la temperatura y ver cómo los fluidos interactúan con las nanopartículas es fundamental para las tecnologías emergentes de energía limpia y baterías a nivel molecular. Con este nuevo avance, las tecnologías aplicadas como la fotovoltaica y los sistemas de energía catalítica se pueden analizar mejor en escalas de longitud nano y electrónica.

"La membrana cerámica ultrafina se puede aplicar a una disciplina más amplia, no sólo limitada a la microscopía electrónica", dijo Hu. "Por ejemplo, se esperan mejores resultados para las caracterizaciones de luz o rayos X. Y la estrategia puede extenderse ampliamente a diafragmas y componentes mecánicos que requieren un espesor bajo pero una resistencia mecánica alta".

Con la nueva técnica, los investigadores pueden ver resoluciones de hasta alrededor de 1,02 angstroms, en comparación con aproximadamente 2,36 angstroms en experimentos anteriores. El equipo dijo que han logrado la resolución espacial y la visibilidad espectral más altas registradas en su campo hasta la fecha.

Más allá de los microscopios, el equipo espera aplicar la tecnología de su plataforma a otros problemas, ya que la técnica de encapsulación podría aplicarse a cualquier microchip o técnica óptica.

"En cualquier campo, lo más delgado es mejor porque se obtiene menos información del contenedor grueso en comparación con el objeto interior", dijo Koo.

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

Proporcionado por la Universidad Northwestern