‘Um trilionésimo de segundo’ captura a mudança instantânea de nanopartículas! … A equipe do Prof. Oh-Hun Kwon na Yonset University desenvolve tecnologia de imagem síncrona espaço-temporal de alta resolução


Os pesquisadores que conduziram este estudo.  A partir da esquerda, professor Kwon Oh-hoon, primeiro autor Dr. Kim Ye-jin (atualmente, bolsista de pesquisa de pós-doutorado da Caltech), pesquisador em Rohagon (Foto: UNIST)
Os pesquisadores que conduziram este estudo. A partir da esquerda, professor Kwon Oh-hoon, primeiro autor Dr. Kim Ye-jin (atualmente, bolsista de pesquisa de pós-doutorado da Caltech), pesquisador em Rohagon (Foto: UNIST)


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.

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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.


Filtro de potência de microscopia eletrônica de transmissão ultrarrápida.  a, Princípio da espectroscopia geral de perda de energia de elétrons usando um feixe de elétrons de onda contínua.  Ao passar pelo filtro de energia, a largura de energia do feixe de elétrons é reduzida e a resolução da imagem é aumentada.  b, Quando um filtro de energia é aplicado aos pulsos de fotoelétrons de um microscópio eletrônico ultrarrápido.  É possível realizar imagens de alta resolução com resolução aprimorada nos eixos de tempo e energia filtrando apenas uma parte do pulso fotoelétrico que é alongado nos eixos de tempo e energia com um filtro de energia.
Filtro de potência de microscopia eletrônica de transmissão ultrarrápida. a, Princípio da espectroscopia geral de perda de energia de elétrons usando um feixe de elétrons de onda contínua. Ao passar pelo filtro de energia, a largura de energia do feixe de elétrons é reduzida e a resolução da imagem é aumentada. b, Quando um filtro de energia é aplicado aos pulsos de fotoelétrons de um microscópio eletrônico ultrarrápido. É possível realizar imagens de alta resolução com resolução aprimorada nos eixos de tempo e energia filtrando apenas uma parte do pulso fotoelétrico que é alongado nos eixos de tempo e energia com 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.


Mudança de fase do isolante metálico de nanopartículas de dióxido de vanádio.  aeb, imagens ao vivo da mudança de fase de nanopartículas de dióxido de vanádio com mudança de temperatura.  A temperatura muda e a mudança de fase ocorre em torno de 68 °C.  Neste momento, pode-se confirmar que a estrutura da rede cristalina também mudou com a transição da estrutura eletrônica, de modo que a intensidade da difração de elétrons muda.  c, Imagens de redes de nanocristais antes e depois da mudança de fase.  No caso de um isolante (M1) ou de um metal (R), pode-se confirmar pela imagem do nível atômico que existe uma diferença na estrutura da rede cristalina.  d, Diagrama esquemático da mudança de rede cristalina de uma mudança de fase de isolador metálico.  O rearranjo atômico que ocorre durante a mudança de fase altera a intensidade da difração de elétrons em nanoescala.
Mudança de fase do isolante metálico de nanopartículas de dióxido de vanádio. aeb, imagens ao vivo da mudança de fase de nanopartículas de dióxido de vanádio com mudança de temperatura. A temperatura muda e a mudança de fase ocorre em torno de 68 °C. Neste momento, pode-se confirmar que a estrutura da rede cristalina também mudou com a transição da estrutura eletrônica, de modo que a intensidade da difração de elétrons muda. c, Imagens de redes de nanocristais antes e depois da mudança de fase. No caso de um isolante (M1) ou de um metal (R), pode-se confirmar pela imagem do nível atômico que existe uma diferença na estrutura da rede cristalina. d, Diagrama esquemático da mudança de rede cristalina de uma mudança de fase de um isolador metálico. O rearranjo atômico que ocorre durante a mudança de fase altera a intensidade da difração de elétrons em nanoescala.


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.”


A transição de fase do isolador metálico foi visualizada pela aplicação de um filtro de potência.  aeb, imagens resolvidas no tempo de montagens de nanopartículas de dióxido de vanádio.  A intensidade da difração de elétrons muda devido à mudança de fase do isolador metálico que ocorre após a fotoexcitação, e o mecanismo dinâmico da mudança de fase pode ser analisado por seu rastreamento.  Com o tempo (-10 → 23 picossegundos), o contraste da imagem aumenta para um vermelho mais escuro, o que significa uma mudança de fase de isolante para metálica.  c e d, Resolução temporal otimizada da imagem pela aplicação de um filtro de potência.  Quando o filtro de energia do espectrofotômetro de perda de energia de elétrons é aplicado ao pulso fotoelétrico, a resolução temporal é melhorada.  Ao filtrar uma região mais estreita (35 → 10 eV), uma resolução temporal mais alta (3 picossegundos → 700 femtossegundos) pode ser obtida.
A transição de fase do isolador metálico foi visualizada pela aplicação de um filtro de potência. aeb, imagens resolvidas no tempo de montagens de nanopartículas de dióxido de vanádio. A intensidade da difração de elétrons muda devido à mudança de fase do isolador metálico que ocorre após a fotoexcitação, e o mecanismo dinâmico da mudança de fase pode ser analisado por seu rastreamento. Com o tempo (-10 → 23 picossegundos), o contraste da imagem aumenta para um vermelho mais escuro, o que significa uma mudança de fase de isolante para metálica. c e d, Resolução temporal otimizada da imagem pela aplicação de um filtro de potência. Quando o filtro de energia do espectrofotômetro de perda de energia de elétrons é aplicado ao pulso fotoelétrico, a resolução temporal é melhorada. Ao filtrar uma região mais estreita (35 → 10 eV), uma resolução temporal mais alta (3 picossegundos → 700 femtossegundos) pode ser obtida.


“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. “

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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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