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(Foco Nanowerk) Los científicos están desarrollando nuevos métodos para observar y controlar la construcción de materiales a la escala más pequeña. Los avances recientes en los microscopios electrónicos de transmisión de barrido (STEM) han abierto la posibilidad de manipular átomos individuales para construir nanoestructuras precisas.
Un artículo desde una nueva perspectiva en Materiales avanzados (“The Synthescope: A Vision for Combining Synthesis with Atomic Fabrication”) propone mejoras a los STEM que podrían permitir a los investigadores sintetizar materiales átomo por átomo mientras observan el proceso en tiempo real. Con tales capacidades, los científicos podrían obtener conocimientos sin precedentes sobre los mecanismos de crecimiento a nanoescala, con el potencial de revolucionar campos como la microelectrónica y la catálisis.
Durante décadas, los STEM han sido esenciales para obtener imágenes de materiales hasta el nivel de los átomos. Estos potentes microscopios enfocan un haz de electrones en una muestra delgada y detectan señales que revelan la estructura atómica de la muestra. Pero los haces de electrones también pueden cambiar muestras sacando átomos de su posición. En el pasado, este daño por radiación se consideraba un efecto secundario indeseable, pero recientemente los científicos han aprendido a aprovecharlo para la reordenación controlada de los átomos.
Con un control mejorado, los autores imaginaron previamente que los STEM evolucionarían hasta convertirse en verdaderas «forjas atómicas», construyendo nanoestructuras personalizadas mediante la manipulación de átomos (ver). Naturaleza, “Enciende la fragua nuclear”). Sin embargo, las opciones actuales siguen siendo limitadas. La estrategia principal es utilizar el haz para pulverizar átomos de un material fuente sobre la superficie de la muestra, donde a veces se unen a las vacantes creadas por el daño del haz. Este ciclo de atomización y daño por chorro permite la creación de patrones, pero carece de la eficiencia y flexibilidad de un verdadero enfoque sintético.
Para lograr un crecimiento átomo por átomo, los autores proponen mejorar los STEM con fuentes de materiales locales, como filamentos de evaporación u objetivos de ablación láser. Esto permitiría una deposición continua sincronizada con las respuestas inducidas por el haz en la superficie de la muestra. Al controlar por separado la velocidad de alimentación y la reactividad de la superficie, los científicos podrían adaptar las condiciones de síntesis para promover el ensamblaje controlado de estructuras átomo por átomo. El haz de electrones podría incluso controlar el crecimiento dirigiendo los átomos a los lugares deseados.
Mientras tanto, los nuevos soportes de muestras permitirían obtener imágenes, medir propiedades y fabricar átomos simultáneamente. Los chips con circuitos de calefacción integrados podrían controlar los efectos de la difusión superficial, mientras que las membranas transparentes al haz de electrones proporcionarían información sobre la acción atómica. Esta combinación de capacidades de síntesis y retroalimentación en tiempo real es lo que los investigadores llaman «Synthescope».
Con un sintescopio, los científicos podrían observar directamente procesos como la nucleación, el crecimiento de cristales o nanopartículas y la incorporación de dopantes a los materiales. Al ajustar dinámicamente parámetros como la temperatura y la tasa de deposición, podrían optimizar los procesos o cambiar las composiciones de los materiales sobre la marcha. Estos conocimientos podrían resultar invaluables para el diseño racional de materiales y dispositivos.
Por ejemplo, colocar con precisión unos pocos átomos dopantes en áreas clave puede mejorar significativamente las propiedades de los materiales 2D. Y la disposición de los átomos individuales en los sitios activos de un catalizador puede influir en gran medida en su rendimiento.
Lograr esta visión requerirá más avances, desde entornos de aspiración más limpios hasta hardware rediseñado. Pero los experimentos de prueba de principio ya han demostrado que es posible incorporar fuentes de materiales localizadas en STEM. Con investigación y desarrollo específicos, los alcances de síntesis podrían abrir un nuevo paradigma para la ciencia de materiales en la próxima década.
Desde su perspectiva, los autores trazan un camino para el progreso en este campo emergente. Los primeros hitos, como la deposición molécula por molécula, ya se han logrado con los haces de electrones finamente enfocados de los STEM. Sin embargo, replicar la deposición tradicional inducida por haces de electrones a nivel atómico presenta desafíos debido a problemas de contaminación. Un enfoque alternativo que utiliza el daño del haz para crear sitios reactivos para la incorporación de átomos es más prometedor. Demostraciones recientes de esta técnica han permitido la estructuración de dopantes en materiales 2D.
Las mejoras en curso requieren desacoplar el suministro atómico del haz de electrones de imágenes. El sintetizador propuesto podría satisfacer esta necesidad con fuentes de materiales integradas. La introducción controlada de átomos vaporizados o eliminados con láser durante el diseño del haz permitiría un crecimiento preciso átomo por átomo. Un mayor desarrollo de estrategias como la síntesis controlada por retroalimentación y la deposición de múltiples elementos maximizará el potencial de estas herramientas.
Guiados por una visión sin precedentes de la síntesis a nanoescala, los científicos explorarán las enormes posibilidades de construir materia a partir del átomo. Con el poder sintético y la capacidad de análisis proporcionados por los ámbitos de síntesis, los investigadores podrían descubrir nuevos mecanismos y fenómenos de crecimiento a nanoescala. Estos hallazgos pueden luego incorporarse al desarrollo de técnicas de síntesis a gran escala más efectivas.
De esta manera, los alcances de síntesis tienen el potencial de revolucionar nuestra comprensión fundamental de la formación de materiales y al mismo tiempo acelerar el desarrollo de estructuras de ingeniería atómica para aplicaciones que van desde la electrónica hasta la conversión y el almacenamiento de energía.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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