Sintescópio: Criado um equipamento que escreve com átomos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/10/2024

O processo é contínuo, como uma escrita, mas o sintescópio arranca um átomo de cada vez, e então o substitui pelo novo "átomo-tinta".
[Imagem: Ondrej Dyck/ORNL]

Sintescópio

Uma nova tecnologia para colocar continuamente átomos individuais exatamente onde eles são necessários promete viabilizar a criação de novos materiais com propriedades inusitadas, componentes para a computação quântica e uma infinidade de outras possibilidades que não podem ser fabricadas pelas técnicas disponíveis hoje.

É essencialmente uma técnica para "escrever com átomos", com os átomos fazendo o papel da tinta. E, para escrever com precisão, foi usada a mesma tecnologia dos microscópios eletrônicos de tunelamento, que usam pontas finíssimas que já permitem mapear a estrutura atômica dos materiais.

Para obter um melhor controle sobre os átomos, a equipe criou uma ferramenta que eles chamam de "sintescópio", uma mescla de síntese e microscopia. Essencialmente, um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) foi transformado em uma plataforma de manipulação de materiais em escala atômica.

O sintescópio leva a fabricação até o nível dos blocos de construção individuais dos materiais, uma abordagem que permite colocar diferentes átomos em um material em locais específicos - os novos átomos e seus locais podem ser selecionados para dar novas propriedades ao material.

Devido à escala em que opera, o aparelho é minúsculo.
[Imagem: Ondrej Dyck/ORNL]

Escrevendo com átomos

Os microscópios eletrônicos de varredura aplicam um feixe de elétrons na amostra que estão analisando para mapear a estrutura cristalina do material na escala atômica. O problema é que esse feixe é frequentemente forte o suficiente para danificar a amostra.

A equipe tirou proveito justamente desse "defeito", e ajustou o feixe de elétrons para que ele faça intencionalmente "buracos" na estrutura atômica do material. A seguir, é só colocar qualquer átomo desejado em cada buraco. Ao danificar o material propositalmente, cria-se um novo material com propriedades diferentes.

A capacidade de adaptar materiais átomo por átomo pode ser aplicada a muitas aplicações tecnológicas, incluindo a ciência da informação quântica, e mais amplamente em microeletrônica e catálise, e para obter uma compreensão mais profunda dos processos de síntese dos materiais.

"Não estamos apenas movendo átomos por aí. Demonstramos que podemos adicionar uma variedade de átomos a um material que não estavam lá antes e colocá-los onde queremos. Atualmente, não há tecnologia que permita que você coloque elementos diferentes exatamente onde você quer colocá-los e tenha a ligação e estrutura corretas. Com essa tecnologia, poderemos construir estruturas do átomo para cima, projetadas para suas propriedades eletrônicas, ópticas, químicas ou estruturais," disse Stephen Jesse, do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

Outra grande possibilidade aberta pelo sintescópio é que trabalhar na escala atômica significa trabalhar na escala em que as propriedades quânticas emergem. "Nosso objetivo é usar esse acesso aprimorado ao comportamento quântico como uma base para dispositivos futuros que dependam de fenômenos exclusivamente quânticos, como o entrelaçamento, para melhorar os computadores, criar comunicações mais seguras e aumentar a sensibilidade dos sensores," disse Jesse.

O primeiro teste envolveu a substituição de átomos de carbono por estanho em uma folha de grafeno.
[Imagem: Ondrej Dyck/ORNL]

Teste do sintescópio

Para demonstrar sua nova técnica de nanofabricação, os pesquisadores moveram o feixe de elétrons para frente e para trás sobre uma rede de grafeno, criando buracos minúsculos, e então inseriram átomos de estanho.

Tudo funcionou como um processo de escrita direta, átomo por átomo, contínuo, ocupando os mesmos lugares exatos onde cada átomo de carbono havia sido arrancado, substituindo-o por um átomo de estanho.

"Acreditamos que os processos de síntese em escala atômica podem se tornar uma questão de rotina usando estratégias relativamente simples. Quando acoplado ao controle de feixe automatizado e à análise e descoberta orientadas por IA, o conceito de sintescópio oferece uma janela para os processos de síntese atômica e uma abordagem única para a fabricação em escala atômica," concluiu Jesse.

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