Nanotecnologia

Estrutura cristalina e magnética de nanomateriais é vista em 3D

Estrutura cristalina e magnética de nanomateriais é vista em 3D
Mapa 3D de um filme de alumínio de 150 nanômetros de espessura. As cores representam as diferentes orientações cristalinas.[Imagem: Liu et al./Science]

Estrutura cristalina em 3D

A maioria dos materiais sólidos - os chamados sólidos cristalinos - é composta por milhões de minúsculos cristais.

A orientação, o formato e as dimensões desses cristais individuais, assim como o seu adensamento, são elementos essenciais para determinar as propriedades do material como um todo.

Assim, a busca por materiais mais leves, mais fortes e mais resistentes, passa necessariamente pelo entendimento de como esses materiais se cristalizam.

Até há pouco tempo, os cientistas somente conseguiam analisar a composição cristalina de uma amostra fatiando-a e fazendo lâminas, que eram observadas no microscópio - uma visão essencialmente 2D.

Nos anos recentes, várias técnicas têm sido desenvolvidas para se obter uma imagem tridimensional da estrutura interna dos materiais.

As imagens de raios X, contudo, nunca deram uma resolução suficiente para a nanotecnologia, para a qual os cientistas precisam analisar os compostos com precisão atômica.

Nanoestruturas

Agora, um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional Riso, na Dinamarca, desenvolveu uma nova técnica de imageamento não-destrutivo que permite a geração de imagens 3D do interior do material.

A precisão obtida - de 1 nanômetro - é grande o bastante para permitir o estudo dos nanomateriais.

Também chamados de materiais nanoestruturados, essa nova geração de filmes, ligas, compósitos e cerâmicas apresenta propriedades incomparavelmente superiores aos materiais brutos. Para entender a origem dessas propriedades, é essencial contar com uma imagem 3D de sua estrutura cristalina.

A nova técnica permite que as alterações no material sejam observadas diretamente, por exemplo, fazendo uma foto antes e outra depois de um tratamento térmico.

Uma grande vantagem do novo método é que ele se baseia em um microscópio de transmissão eletrônica, um tipo de microscópio bastante comum nos laboratórios científicos.

Estrutura cristalina e magnética de nanomateriais é vista em 3D
Imagem 3D dos domínios magnéticos, gerada por um feixe de nêutrons. As cores representam diferentes inclinações dos campos magnéticos. [Imagem: HZB/Manke/Grothausmann]

Domínios magnéticos em 3D

Já os pesquisadores do Instituto Helmholtz, em Berlim, estavam mais interessados em fazer um mapeamento 3D do magnetismo de um material.

Ainda não existia até agora nenhum método, nem mesmo de baixa resolução, que conseguisse fazer isto.

Em 1907, o físico Pierre-Ernest Weiss previu a existência de domínios magnéticos no interior de um material, propondo que os momentos magnéticos dos átomos de uma região circunscrita - um cristal - teriam o mesmo alinhamento.

Os domínios magnéticos desempenham um papel crucial na tecnologia atual - eles estão na base do funcionamento, por exemplo, dos discos rígidos de computador e das pilhas recarregáveis.

Até agora, porém, o estudo desses "domínios de Weiss" só podia ser feito em 2D.

Imagem de nêutrons

O Dr. Ingo Manke e seus colegas eliminaram essa limitação disparando feixes de nêutrons em direção ao material.

Como a direção do campo magnético muda entre os diversos domínios, os nêutrons têm sua rota ligeiramente desviada ao passar por essa fronteira.

Os nêutrons, contudo, são espalhados em todas as direções, o que força os pesquisadores a fazer várias "fotos de nêutrons" da sua amostra, rotacionando-a a cada disparo.

A partir de todos os dados coletados dessas diversas exposições, é possível calcular todos os formatos dos domínios magnéticos no interior do material, gerando uma imagem 3D de toda a rede de domínios.

Apesar das aparências similares, as duas imagens 3D mostram aspectos totalmente diferentes do material - a técnica dinamarquesa mostra a estrutura cristalina, enquanto a técnica alemã mostra a estrutura magnética.

Bibliografia:

Three-Dimensional Orientation Mapping in the Transmission Electron
H. H. Liu, S. Schmidt, H. F. Poulsen, A. Godfrey, Z. Q. Liu, J. A. Sharon, X. Huang
Science
13 May 2011
Vol.: 332 no. 6031 pp. 833-834
DOI: 10.1126/science.1202202

Three-dimensional imaging of magnetic domains
I. Manke, N. Kardjilov, R. Schäfer, A. Hilger, M. Strobl, M. Dawson, C. Grünzweig, G. Behr, M. Hentschel, C. David, A. Kupsch, A. Lange, J. Banhart
Nature Communications
Vol.: 1, 125
DOI: 10.1038/ncomms1125




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