Imagem de um microscópio de tunelamento de varredura (à esquerda) e um microscópio de varredura de pontos quânticos (à direita). Usando um microscópio de varredura por tunelamento, a estrutura física de uma superfície pode ser medida em nível atômico. A microscopia de pontos quânticos pode visualizar os potenciais elétricos na superfície em um nível similar de detalhes — uma combinação perfeita. (Créditos da imagem: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau).

Uma equipe de pesquisadores de Jülich, em cooperação com a Universidade de Magdeburg, desenvolveu um novo método para medir os potenciais elétricos de uma amostra com precisão atômica. Usando métodos convencionais, era virtualmente impossível até agora registrar quantitativamente os potenciais elétricos que ocorrem na vizinhança imediata de moléculas ou átomos individuais. O novo método de microscopia eletrônica de varredura quântica, que foi recentemente apresentado na revista Nature Materials por cientistas do Forschungszentrum Jülich juntamente com parceiros de duas outras instituições, pode abrir novas oportunidades para a fabricação de chips ou a caracterização de biomoléculas como o DNA.

Os núcleos atômicos positivos e os elétrons negativos, dos quais toda a matéria consiste, produzem campos potenciais elétricos que se sobrepõem e compensam uns aos outros, mesmo em distâncias muito curtas. Os métodos convencionais não permitem medições quantitativas desses campos de pequena área, que são responsáveis ​​por muitas propriedades e funções do material em nanoescala. Quase todos os métodos estabelecidos capazes de imaginar esses potenciais baseiam-se na medição de forças causadas por cargas elétricas. No entanto, essas forças são difíceis de distinguir de outras forças que ocorrem em nanoescala, o que impede medições quantitativas.

Há quatro anos, porém, cientistas do Forschungszentrum Jülich descobriram um método baseado em um princípio completamente diferente. A microscopia de pontos quânticos de varredura envolve unir uma única molécula orgânica — o ponto quântico — à ponta de um microscópio de força atômica. Esta molécula serve então como sonda.

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“A molécula é tão pequena que podemos unir elétrons individuais da ponta do microscópio de força atômica à molécula de maneira controlada”, explica o Dr. Christian Wagner, chefe do grupo de Manipulação Mecânica Controlada de Moléculas do Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3).

Os pesquisadores imediatamente reconheceram o quão promissor era o método e arquivaram um pedido de patente. No entanto, a aplicação prática ainda estava muito distante.

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“Inicialmente, foi simplesmente um efeito surpreendente que foi limitado em sua aplicabilidade. Isso tudo mudou agora. Não apenas podemos visualizar os campos elétricos de átomos e moléculas individuais, mas também podemos quantificá-los com precisão”, explica Wagner. “Isso foi confirmado por uma comparação com cálculos teóricos realizados por nossos colaboradores de Luxemburgo. Além disso, podemos visualizar grandes áreas de uma amostra e assim mostrar uma variedade de nanoestruturas de uma só vez. E precisamos apenas de uma hora para uma imagem detalhada”.

Os pesquisadores de Jülich passaram anos investigando o método e finalmente desenvolveram uma teoria coerente. A razão para as imagens muito nítidas é um efeito que permite que a ponta do microscópio permaneça a uma distância relativamente grande da amostra, aproximadamente dois a três nanômetros — inimaginável para um microscópio de força atômica normal.

Dr. Christian Wagner com um modelo da molécula PTCDA, que serve como um ponto quântico. (Créditos da imagem: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau).

Nesse contexto, é importante saber que todos os elementos de uma amostra geram campos elétricos que influenciam o ponto quântico e, portanto, podem ser medidos. A ponta do microscópio atua como uma blindagem protetora que amortece os campos disruptivos de áreas da amostra que estão mais distantes.

“A influência dos campos elétricos protegidos diminui exponencialmente e o ponto quântico só detecta a área circundante imediata”, explica Wagner. “A nossa resolução é, portanto, muito mais nítida do que se poderia esperar até mesmo de uma sonda de ponto ideal”.

Os pesquisadores de Jülich devem a velocidade com que a superfície completa da amostra pode ser medida para seus parceiros da Otto von Guericke University Magdeburg. Os engenheiros desenvolveram um controlador que ajudou a automatizar a sequência complexa e repetida de varredura da amostra.

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“Um microscópio de força atômica funciona um pouco como um toca-discos”, explica Wagner. “A ponta se move através da amostra e reúne uma imagem completa da superfície. No trabalho anterior de microscopia de pontos quânticos, no entanto, tivemos que nos mover para um local individual na amostra, medir um espectro, passar para o próximo local, medir outro espectro, e assim por diante, a fim de combinar essas medidas em uma única imagem. Com o controlador dos engenheiros da Magdeburg, agora podemos simplesmente escanear toda a superfície, da mesma forma que usamos um microscópio de força atômica normal. Enquanto costumava levar de 5 a 6 horas para uma única molécula, agora podemos imaginar áreas de amostragem com centenas de moléculas em apenas uma hora”.

Existem algumas desvantagens também, no entanto. Preparar as medições requer muito tempo e esforço. A molécula que serve como ponto quântico para a medição deve ser anexada à ponta de antemão — e isso só é possível em um vácuo a baixas temperaturas. Em contraste, os microscópios de força atômica normal também funcionam à temperatura ambiente, sem necessidade de vácuo ou preparações complicadas.

Existem muitos campos de aplicação para microscopia de ponto quântico. A eletrônica de semicondutores está empurrando limites de escala em áreas onde um único átomo pode fazer a diferença para a funcionalidade. A interação eletrostática também desempenha um papel importante em outros materiais funcionais, como catalisadores. A caracterização de biomoléculas é outra via. Graças à distância comparativamente grande entre a ponta e a amostra, o método também é adequado para superfícies ásperas — como a superfície de moléculas de DNA, com sua estrutura 3-D característica. [Phys.org].

Referência:

  1. Christian Wagner et al. “Quantitative imaging of electric surface potentials with single-atom sensitivity”; Nature Materials, 2019. Acesso em: 17 de jun. 2019.
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Giovane Almeida
Sou baiano, tenho 18 anos e sou fascinado pelo Cosmos. Atualmente trabalho com a divulgação científica na internet — principalmente no Ciencianautas, projeto em que eu mesmo fundei aos 15 anos de idade —, com ênfase na astronomia e biologia.

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