¿Usar un microscopio de fuerza atómica como pala? ¿Qué depósitos de oro han descubierto los científicos?

El uso de una herramienta familiar de una manera para la que nunca fue concebida ha abierto una nueva forma de explorar materiales, informan investigadores de la Universidad de Connecticut en Proceedings of the National Academy of Sciences. Sus hallazgos específicos podrían conducir algún día a la creación de chips de computadora más eficientes energéticamente, pero la nueva tecnología en sí misma podría abrir nuevos descubrimientos en un campo más amplio. La microscopía de fuerza atómica (AFM) arrastra una punta ultra afilada a través de un material, acercándose mucho pero sin tocar la superficie. La punta detecta la posición de la superficie y detecta las fuerzas electromagnéticas generadas por el material. Al pasar de un lado a otro de manera ordenada, los investigadores pueden mapear las propiedades de la superficie de un material, de manera muy similar a un topógrafo que recorre un terreno de manera ordenada para mapear un territorio. La microscopía de fuerza atómica puede describir los poros, protuberancias y características de materiales a escalas miles de veces más pequeñas que un grano de sal.

Boko Park-Ciencia popular: Microscopios de fuerza atómica Los AFM se utilizan para estudiar superficies. En la mayoría de los casos, los usuarios intentarán evitar tocar el material con la punta del cuchillo, ya que esto puede dañar la superficie del material, pero esto puede suceder a veces. El estudiante de posgrado Yasemin Kutes y el postdoctorado Justin Luria estaban trabajando en células solares en el laboratorio del profesor de ciencia e ingeniería de materiales Brian Huey hace unos años cuando se toparon con su muestra. Al principio, pensaron que era un error desagradable, pero cuando Kutz insertó la punta del AFM profundamente en la zanja que había cavado accidentalmente, notaron que las propiedades del material parecían diferentes. Coulter y Loria no continuaron con la investigación, pero otro estudiante de posgrado, James Steffes, se inspiró para analizar la idea más de cerca. Se preguntó, ¿qué pasaría si deliberadamente usaras la punta de un AFM como un cincel y cavaras en un material?

¿Podemos describir las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales capa por capa, como si describiéramos la superficie en un espacio bidimensional, y dibujar una imagen tridimensional del material? ¿Serán diferentes las propiedades del material? Steffes, Huey y sus colegas informan en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias que la respuesta es sí. Estudiaron en profundidad muestras de ferrita de bismuto (BiFeO3), un hierro policristalino a temperatura ambiente. La multiferrita es un material que puede tener múltiples propiedades eléctricas o magnéticas al mismo tiempo. La ferrita de bismuto, por ejemplo, es a la vez antiferromagnética (responde a campos magnéticos pero generalmente no presenta polos magnéticos norte y sur) y ferroeléctrica, lo que significa que tiene polarización conmutable. Este material ferroeléctrico suele estar formado por partes diminutas llamadas dominios. Cada dominio es como un conjunto de baterías, con sus terminales positivos todos orientados en la misma dirección y los grupos a cada lado del dominio apuntando en la otra dirección.

Son valiosos para la memoria de las computadoras porque las computadoras pueden invertir campos magnéticos, "escribir" en materiales y utilizar campos magnéticos o eléctricos. Cuando los científicos de materiales leen y escriben información sobre un trozo de ferrita de bismuto, a menudo sólo pueden ver lo que sucede en la superficie. Pero realmente quieren saber qué sucede debajo de la superficie, y si pueden entender esto, podría ser posible diseñar el material en un chip de computadora más eficiente que funcione más rápido y consuma menos energía que los actuales. Esto tendrá un enorme impacto en el consumo de energía en toda la sociedad: actualmente el 5% de la electricidad utilizada en Estados Unidos se gasta en el funcionamiento de computadoras. Para encontrar la respuesta, Steffes, Huey y los miembros del equipo utilizaron la tecnología AFM para excavar cuidadosamente a través de una capa de película de ferrita de bismuto y mapear el interior pieza por pieza. Se descubrió que cada dominio podía mapearse en su totalidad, exponiendo patrones y atributos que no siempre eran obvios en la superficie. A veces, un dominio se reduce hasta desaparecer, dividirse en forma de Y o fusionarse con otro dominio. Nadie había visto nunca antes el interior de este material de esta forma.

Esto es muy esclarecedor, al igual que antes, cuando solo se podían ver radiografías bidimensionales y tomografías computarizadas de huesos tridimensionales. Hay aproximadamente 30.000 afm instalados en todo el mundo. Un gran número de ellos intentará utilizar AFM para dibujar en 3D en 2019 porque se dan cuenta de que están explorando superficies constantemente.

También cree que si se puede aplicar la tecnología de mapeo 3D a sus materiales, más laboratorios comprarán microscopios de fuerza atómica y algunos fabricantes de microscopios comenzarán a diseñar microscopios de fuerza atómica para escaneo tridimensional. Los investigadores de Intel, Murata y otros también están interesados en la ferrita de bismuto que descubrieron mientras buscaban nuevos materiales para fabricar chips de computadora de próxima generación. Mientras tanto, el equipo de Huey está utilizando microscopios de fuerza atómica para excavar en una variedad de materiales, desde concreto hasta huesos y muchas partes de computadoras. Al trabajar con socios académicos e industriales, podemos utilizar nuestros nuevos conocimientos para comprender cómo diseñar mejor estos materiales para reducir el consumo de energía, optimizar su rendimiento y aumentar su confiabilidad y longevidad, algo que los científicos de materiales se esfuerzan por hacer todos los días.

Broco Park-Popular Science|Investigación/De: Universidad de Connecticut

Referencia de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias

DOI: 10.1073/PNAS. 1806074116

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