Los átomos son los componentes básicos de toda la materia en la Tierra, y los patrones en los que están organizados determinan qué tan fuerte, conductor o flexible será un material. Ahora, los científicos de la UCLA han utilizado un microscopio potente para obtener imágenes de las posiciones tridimensionalesde átomos individuales con una precisión de 19 billonésimas de metro, que es varias veces más pequeño que un átomo de hidrógeno.
Sus observaciones hacen posible, por primera vez, inferir las propiedades macroscópicas de los materiales en función de sus disposiciones estructurales de átomos, lo que guiará cómo los científicos e ingenieros construyen componentes de aviones, por ejemplo. La investigación, dirigida por Jianwei John Miao, profesora de física y astronomía de la UCLA y miembro del Instituto de Nanosistemas de California de la UCLA, se publica el 21 de septiembre en la edición en línea de la revista Materiales de la naturaleza .
Durante más de 100 años, los investigadores han inferido cómo se ordenan los átomos en el espacio tridimensional utilizando una técnica llamada cristalografía de rayos X, que consiste en medir cómo se dispersan las ondas de luz de un cristal. Sin embargo, la cristalografía de rayos X solo proporciona informaciónsobre las posiciones promedio de muchos miles de millones de átomos en el cristal, y no sobre las coordenadas precisas de los átomos individuales.
"Es como tomar un promedio de personas en la Tierra", dijo Miao. "La mayoría de las personas tiene una cabeza, dos ojos, una nariz y dos orejas. Pero una imagen de la persona promedio todavía se verá diferente de usted y de mí".
Debido a que la cristalografía de rayos X no revela la estructura de un material por átomo, la técnica no puede identificar pequeñas imperfecciones en materiales como la ausencia de un solo átomo. Estas imperfecciones, conocidas como defectos puntuales,puede debilitar materiales, lo que puede ser peligroso cuando los materiales son componentes de máquinas como motores a reacción.
"Los defectos puntuales son muy importantes para la ciencia y la tecnología modernas", dijo Miao.
Miao y su equipo utilizaron una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión de barrido, en la que se escanea un haz de electrones más pequeño que el tamaño de un átomo de hidrógeno sobre una muestra y mide cuántos electrones interactúan con los átomos en cada posición de escaneo.El método revela la estructura atómica de los materiales porque las diferentes disposiciones de los átomos hacen que los electrones interactúen de diferentes maneras.
Sin embargo, el escaneo de microscopios electrónicos de transmisión solo produce imágenes bidimensionales. Por lo tanto, crear una imagen tridimensional requiere que los científicos escanee la muestra una vez, la incline unos pocos grados y vuelva a escanearla, repitiendo el proceso hasta el espacio deseadose logra la resolución, antes de combinar los datos de cada exploración utilizando un algoritmo informático. La desventaja de esta técnica es que la radiación repetida del haz de electrones puede dañar progresivamente la muestra.
Usando un microscopio electrónico de transmisión de exploración en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Miao y sus colegas analizaron una pequeña pieza de tungsteno, un elemento utilizado en bombillas incandescentes. A medida que la muestra se inclinaba 62 veces, los investigadores pudieron lentamenteensamblar un modelo tridimensional de 3,769 átomos en la punta de la muestra de tungsteno.
El experimento llevó mucho tiempo porque los investigadores tuvieron que esperar varios minutos después de cada inclinación para que la configuración se estabilizara.
"Nuestras mediciones son tan precisas y cualquier vibración, como una persona que camina, puede afectar lo que medimos", dijo Peter Ercius, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y autor del artículo.
Los investigadores compararon las imágenes de los primeros y últimos escaneos para verificar que la radiación no había dañado el tungsteno, gracias a que la energía del haz de electrones se mantuvo por debajo del umbral de daño por radiación del tungsteno.
Miao y su equipo mostraron que los átomos en la punta de la muestra de tungsteno estaban dispuestos en nueve capas, la sexta de las cuales contenía un defecto puntual. Los investigadores creen que el defecto era un agujero en una capa de átomos llena de otro modo o unoo más átomos entrelazados de un elemento más ligero como el carbono.
Independientemente de la naturaleza del defecto puntual, la capacidad de los investigadores para detectar su presencia es significativa, lo que demuestra por primera vez que las coordenadas de átomos individuales y defectos puntuales se pueden registrar en tres dimensiones.
"Hicimos un gran avance", dijo Miao.
Miao y su equipo planean aprovechar sus resultados estudiando cómo se ordenan los átomos en materiales que poseen funciones de magnetismo o almacenamiento de energía, lo que ayudará a informar nuestra comprensión de las propiedades de estos materiales importantes en la escala más fundamental.
"Creo que este trabajo creará un cambio de paradigma en cómo se caracterizan los materiales en el siglo XXI", dijo. "Los defectos puntuales influyen fuertemente en las propiedades de un material y se discuten en muchos libros de texto de física y ciencia de materiales. Nuestros resultados son los primerosdeterminación experimental de un defecto puntual dentro de un material en tres dimensiones "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Los Ángeles . Original escrito por Katherine Kornei. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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