Uma tecnologia de imagem de ultra-alta resolução que pode monitorar e controlar diretamente mudanças instantâneas em “um trilionésimo de segundo” foi implementada com sucesso.
A investigação estrutural com precisão em nível atômico é um campo muito importante que serve como ponto de partida não apenas para química e física, mas também para pesquisa de materiais complexos e biologia.
O dióxido de vanádio exibe um fenômeno de mudança de fase de metal isolante a 68 °C e está no centro das atenções como materiais básicos de próxima geração, como sensores ópticos e dispositivos de comutação de alta velocidade. No entanto, como esse processo de mudança de fase ocorre em um período muito curto de femtossegundos, é impossível observá-lo diretamente no nível de nanopartículas usando técnicas de imagem atuais.
Os microscópios eletrônicos de transmissão ultrarrápida geram pulsos fotoelétricos de femtosegundo em um fotocátodo e os aceleram em alta energia para atingir comprimentos de onda piezômetros (10–12 m) menores que o tamanho de um átomo, ao mesmo tempo em que atingem alta resolução espacial e temporal.
Porém, cada elétron que compõe o pulso fotoelétrico possui carga negativa, por isso apresenta a propriedade de repulsão. Como resultado, os pulsos fotoelétricos passam pelo bocal da lente do microscópio e se propagam gradativamente no espaço e no tempo, o que leva a uma diminuição da resolução.
A equipe UNIST (Chefe do Departamento de Química de Yong-Hoon Lee) Professor Oh-Hoon Kwon usou o ‘único microscópio eletrônico de alta velocidade 4D da Coréia’ para demonstrar um processo de mudança de fase de isolador de metal muito rápido de nanopartículas de dióxido de vanádio (VO2) em femtossegundos (10 -15 seg) capturado ao vivo em tempo real e localização com um nível de precisão.
A equipe de pesquisa usou um filtro de energia comumente usado de uma maneira diferente para superar as limitações da microscopia eletrônica de transmissão e para visualizar o processo de mudança de fase do dióxido de vanádio. Primeiro, uma porção dos pulsos fotoelétricos que se propagam através do espaço-tempo ao atingir a câmera do microscópio foi filtrada usando um filtro de energia.
Em seguida, a imagem foi reconstruída usando alguns fotoelétrons filtrados, capturando claramente a mudança de fase durante o momento até um femtossegundo. Este é o resultado do uso da lei física de que fotoelétrons com a mesma energia existem no mesmo espaço e tempo após a aceleração.
Usando um filtro de energia dessa maneira, o processo de mudança de fase ultrarrápido de cada nanopartícula individual que compõe o aglomerado de nanopartículas de dióxido de vanádio pode ser capturado instantaneamente.
Em particular, a equipe de pesquisa também confirmou pela primeira vez evidências diretas de que as nanopartículas de dióxido de vanádio feitas em um substrato de grafeno têm uma estrutura diferente, de modo que podem passar por um ‘estado eta-estável’ no meio de uma mudança de fase.
“Muitos esforços foram feitos para melhorar a resolução temporal dos microscópios eletrônicos de transmissão ultrarrápida”, disse o Dr. Kim Ye-jin (atualmente pesquisador de pós-doutorado no Caltech), primeiro autor. E isso foi comprovado. O processo de mudança material que ocorre pode ser claramente descrito no nível nanométrico.”
“Esta é a primeira pesquisa no campo da imagem avançada que aplica experimentalmente técnicas de imagem de femtosegundo com base no conhecimento geral da física conhecido por todos”, disse o professor Kwon Oh-hoon. Ele poderá contribuir para se beneficiar ainda mais dela. “
Enquanto isso, esta pesquisa foi publicada na Science Advances, uma revista irmã da revista acadêmica internacionalmente conhecida Science, ‘Femtosecond-Resolved Imaging of a Single Particle Phase Transition in Energy-Filtered Ultrafast Electron Microscopy’mais baixo) foi publicado no dia 27.
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