Popular Posts

domingo, 5 de febrero de 2017

Coordenadas de más de 23.000 átomos revelan defectos del material

* * * *
En el mundo de lo muy pequeño, la perfección es algo raro: prácticamente todos los materiales mirados a nivel atómico tienen defectos. Estas imperfecciones (átomos que faltan, átomos de un tipo intercambiados por otros, y átomos desalineados) pueden determinar de forma única las propiedades y funciones de un material. Ahora, físicos y colaboradores de UCLA, han mapeado las coordenadas de más de 23.000 átomos individuales de una pequeña nanopartícula de hierro-platino a fin de revelar los defectos del material.

Identificación de las coordenadas 3-D de 6.569 átomos de hierro y de 16,627 de platino de una nanopartícula de hierro-platino, para correlacionar disposiciones atómicas 3-D con las propiedades del material al nivel de un solo átomo. Crédito: Cortesía de Colin Ophus and Florian Nickel.

Los resultados demuestran que, las posiciones de decenas de miles de átomos, pueden ser identificados con precisión, y luego, mediante cálculos de mecánica cuántica, correlacionar las imperfecciones y defectos con las propiedades del material, al nivel de un solo átomo. Esta investigación ha sido publicada en el journal Nature .

Jianwei (John) Miao, profesor en UCLA de física y astronomía, y miembro del Instituto NanoSystems de California de la UCLA, dirigió el equipo internacional para el mapeo de los datos a nivel atómico de una nanopartícula bimetálica; más de un billón de ellas harían falta para rellenar un grano de arena.

"Nadie ha visto este tipo de complejidad estructural tridimensional con tal detalle antes", dijo Miao, quien también es director adjunto del Centro de Ciencia y Tecnología de Imágenes funcionales en tiempo real. Este nuevo consorcio financiado por la Fundación Nacional de Ciencias consta de científicos de la UCLA y otros cinco colegios y universidades que están utilizando imágenes de alta resolución para abordar cuestiones de las ciencias físicas, ciencias biológicas e ingeniería.

Miao y su equipo se centraron en una aleación de hierro-platino, un material muy prometedor para el almacenamiento por medios magnéticos de próxima generación y de aplicaciones de imanes permanentes.

Al tomar múltiples imágenes de la nanopartícula de hierro-platino con el avanzado microscopio electrónico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, además del uso de potentes algoritmos de reconstrucción desarrollados en la UCLA, los investigadores determinaron la disposición tridimensional precisa de los átomos de la nanopartícula.

"Por primera vez, pudimos ver los átomos individuales y su composición química en tres dimensiones. Todo lo que observamos, es nuevo", dijo Miao.

El equipo identificó y localizó más de 6.500 átomos de hierro y 16.600 de platino, y mostró cómo los átomos están dispuestos en nueve granos, cada uno de los cuales contiene diferentes proporciones de átomos de hierro y platino. Mostraron que los átomos más cercanos al interior de los granos están dispuestos más regularmente que los que están cerca de las superficies. También observaron que las interfaces entre granos, llamados límites de grano, están más desordenados.

"La comprensión de las estructuras tridimensionales de los límites del grano es un reto importante en la ciencia de los materiales, ya que influyen fuertemente en las propiedades de los materiales", comentaba Miao. "Ahora estamos en condiciones de hacer frente a este reto, precisamente por trazar las posiciones atómicas tridimensionales de estos límites por primera vez."

Los investigadores utilizaron las coordenadas tridimensionales de los átomos como imputs de cálculos de mecánica cuántica para determinar las propiedades magnéticas de las nanopartículas de hierro-platino. Y se observaron cambios abruptos en las propiedades magnéticas en los límites de grano.

"Este trabajo hace avances significativos en las capacidades de caracterización y amplía nuestra comprensión fundamental de las relaciones estructura-propiedad, que espera encontrar amplias aplicaciones en la física, química, ciencia de los materiales, nanociencia y nanotecnología", añadió Miao.

En el futuro planean establecer un banco de datos en línea para las ciencias físicas, de forma análoga a los bancos de datos de proteínas para las ciencias biológicas y de la vida.

Miao y su equipo desean aplicar su método al llamado GENFIRE (GENeralized Fourier Iterative Reconstruction) para aplicaciones biológicas y médicas. "Nuestro algoritmo de reconstrucción tridimensional podría ser útil para la formación de imágenes, como la tomografía computarizada", señaló Miao. En comparación con los métodos de reconstrucción convencionales, GENFIRE requiere menos imágenes para compilar una estructura tridimensional precisa.

Esto significa que se pueden obtener imágenes de los objetos sensibles a la radiación con dosis más bajas de radiación.

###########
- Ref. Science Daily.com, 1 feb 2017
"Coordinates of more than 23,000 atoms in technologically important material mapped"
- Fuente: University of California, Katherine Kornei
- Publicación: Yongsoo Yang, Chien-Chun Chen, M. C. Scott, Colin Ophus, Rui Xu, Alan Pryor, Li Wu, Fan Sun, Wolfgang Theis, Jihan Zhou, Markus Eisenbach, Paul R. C. Kent, Renat F. Sabirianov, Hao Zeng, Peter Ercius, Jianwei Miao. Deciphering chemical order/disorder and material properties at the single-atom level. Nature, 2017; 542 (7639): 75 DOI: 10.1038/nature21042.

No hay comentarios:

Publicar un comentario

Deshabilitado los comentarios. Contacto y comentarios en las redes sociales.

Nota: solo los miembros de este blog pueden publicar comentarios.