Átomos individuales de boro y nitrógeno son distinguidos claramente por su intensidad en la imagen del microscopio electrónico de transmisión de escaneo de contraste Z del Laboratorio Nacional del Oak Ridge. Cada anillo hexagonal único de la estructura del boro-nitrogeno, por ejemplo el marcado por el circulo verde en la figura a, consiste de tres átomos de nitrógeno mas luminosos y tres átomos de boro mas oscuros. La imagen de abajo (b) es corregida por distorsión (Créditos : Departamento de Energía, Laboratorio Nacional de Oak Ridge).

Science Daily (Marzo, 24 ,2010) : Usando lo último en microscopia electrónica con corrección de aberraciones, investigadores del departamento de energía del laboratorio nacional de Oak Ridge y sus colegas han obtenido las primeras imágenes que distinguen átomos individuales ligeros tales como el boro, carbono, nitrógeno y oxigeno.

Las imágenes de la ORNL fueron obtenidas con un microscopio electrónico de transmisión de contraste Z (STEM). Átomos individuales de carbono, boro, nitrógeno y oxigeno—todos de los cuales tienen números atómicos bajos—fueron apreciados en una muestra de una capa de nitruro de boro.

“Esta investigación marca el primer paso en el que cada átomo en una parte significativa de un material no periódico has sido fotografiado y químicamente identificado,” dijo el investigador Stephen Pennycook de la División de Tecnología y Ciencia de los Materiales. “Representa otro logro de las tecnologías combinadas del STEM de contraste Z y la corrección de aberración”.

A Pennycook y sus colegas de ORNL Matthew Chisholm se les unió un grupo que incluye a Sokrates Pantelides, Mark Oxley y Timothy Pennycook de la Universidad de Vandernilt y ORNL; Valeria Nicolosi de la Universidad de Oxford del Reino Unido; y Ondrej Krivanek, George Corbin, Niklas Dellby, Matt Murfitt, Chris Own y Zotlan Szilagyu de la compañía Nion, que diseño y construyó el microscopio. El análisis del STEM de contraste Z del equipo es descrito en un artículo publicado el 25 de marzo en la revista Nature.

La nueva técnica de creación de imágenes de alta resolución permite a los investigadores de materiales analizar, átomo por átomo , la estructura molecular de materiales experimentales y percibir defectos de estructura en estos materiales. Los defectos introducidos en el material- por ejemplo, la colocación de un átomo de impureza o molécula en la estructura del material—son comúnmente responsables de las propiedades del material.

El grupo analizó una muestra de nitruro de boro hexagonal de una sola capa preparado en la Universidad de Oxford y fue capaz de encontrar e identificar tres tipo de substituciones atómicas—átomos de carbono substituyendo al boro, carbono substituyendo al nitrógeno y oxigeno substituyendo al nitrógeno. Boro, carbono, nitrógeno y oxigeno tienen números atómicos –o valores Z—de cinco, seis, siete y ocho respectivamente.

Los experimentos de análisis del campo oscuro anular fueron realizados en un microscopio Nion UltraSTEM de 100- Kilovoltios optimizado para operaciones de bajos voltajes a 60 Kilovoltios.

La corrección de aberraciones, en el cual distorsiones y artefactos (errores de observación) causados por imperfecciones de lentes y efectos del entorno son filtrados computacionalmente y corregidos, fue concebido décadas atrás pero solo recientemente fue posible realizarlo por los avances en computación. Ayudados por la tecnología, el grupo del microscopio electrónico de la ORNL fijó un record de resolución en el 2004 con el STEM del laboratorio de 300 kilovoltios.

Los avances recientes vienen con un voltaje mucho menor, por una razón.

“Operar a 60 kilovoltios nos permite evadir un daño por desplazamiento de átomo a la muestra, el cual es encontrado con átomos de bajo valor Z por encima de los 80 kilovoltios,” dijo Pennycook. “No puedes llevar a cabo este experimento con un STEM de 300 kilovoltios”.

Armados con las imágenes de alta resolución, investigadores y teóricos de nano ciencia, químicos y de materiales pueden diseñar mas simulaciones computacionales precisas para predecir el comportamiento de materiales avanzados, los cuales son la clave para enfrentarse a los desafíos de investigación que incluyen almacenamiento de energía y tecnologías eficientes de energía.

Esta investigación fue iniciada por la Oficina de Ciencias de la DOE (Departamento de Energía)

El artículo original en inglés puede ser leído aquí.