Uma janela para o nanomundo: cientistas desenvolvem nova técnica para flutuações de imagem em materiais

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Uma equipe de cientistas, liderada por pesquisadores do Max Born Institute em Berlim e Helmholtz-Zentrum Berlin na Alemanha e do Brookhaven National Laboratory e do Massachusetts Institute of Technology nos Estados Unidos, desenvolveu um novo método revolucionário para capturar imagens de alta resolução de flutuações em materiais em nanoescala usando poderosas fontes de raios-X. A técnica, que eles chamam de Coherent Correlation Imaging (CCI), permite a criação de filmes nítidos e detalhados sem danificar a amostra por radiação excessiva. Ao usar um algoritmo para detectar padrões em imagens subexpostas, o CCI abre caminhos para informações antes inacessíveis. A equipe demonstrou CCI em amostras feitas de finas camadas magnéticas, e seus resultados foram publicados em Natureza.

O reino microscópico do mundo está em constante movimento e marcado por alterações incessantes. Mesmo em materiais sólidos aparentemente imutáveis, essas flutuações podem dar origem a propriedades incomuns; um exemplo é a transmissão sem perdas de corrente elétrica em supercondutores de alta temperatura. As flutuações são particularmente pronunciadas durante as transições de fase, onde um material muda seu estado, como de sólido para líquido durante a fusão. Os cientistas também investigam transições de fase muito diferentes, como de não condutora para condutora, não magnética para magnética e mudanças na estrutura cristalina. Muitos desses processos são utilizados em tecnologia e também desempenham um papel crucial no funcionamento dos organismos vivos.

O problema: muita iluminação pode danificar a amostra

Estudar esses processos em detalhes, no entanto, é uma tarefa difícil, e capturar um filme desses padrões de flutuação é ainda mais desafiador. Isso ocorre porque as flutuações acontecem rapidamente e ocorrem na escala nanométrica – um milionésimo de milímetro. Mesmo os microscópios eletrônicos e de raios X de alta resolução mais avançados são incapazes de capturar esse movimento rápido e aleatório. O problema está fundamentalmente enraizado, como exemplifica este princípio da fotografia: para capturar uma imagem nítida de um objeto, é necessário um certo nível de iluminação. Para ampliar o objeto, ou seja, “aumentar o zoom”, é necessária mais iluminação. Ainda mais luz é necessária ao tentar capturar um movimento rápido com um tempo de exposição curto. Por fim, aumentar a resolução e diminuir o tempo de exposição leva a um ponto em que o objeto seria danificado ou mesmo destruído pela iluminação necessária. É exatamente a esse ponto que a ciência chegou nos últimos anos: fotos tiradas com lasers de elétrons livres, as fontes de raios X mais intensas disponíveis hoje, inevitavelmente levaram à destruição da amostra em estudo. Como resultado, a captura de um filme desses processos aleatórios que consistem em várias imagens foi considerada impossível.

Nova abordagem: usando um algoritmo para detectar padrões em imagens pouco iluminadas

Uma equipe internacional de cientistas encontrou agora uma solução para este problema. A chave para a solução deles foi a percepção de que os padrões de flutuação nos materiais muitas vezes não são totalmente aleatórios. Ao se concentrar em uma pequena parte da amostra, os pesquisadores observaram que certos padrões espaciais emergiam repetidamente, mas o momento exato e a frequência desses padrões eram imprevisíveis.

Os cientistas desenvolveram um novo método de imagem não destrutivo chamado Imagem de Correlação Coerente (CCI). Para criar um filme, eles tiram vários instantâneos da amostra em rápida sucessão enquanto reduzem a iluminação o suficiente para manter a amostra intacta. No entanto, isso resulta em imagens individuais em que o padrão de flutuação na amostra se torna indistinto. No entanto, as imagens ainda contêm informações suficientes para separá-las em grupos. Para conseguir isso, a equipe primeiro teve que criar um novo algoritmo que analisasse as correlações entre as imagens, daí o nome do método. Os instantâneos dentro de cada grupo são muito semelhantes e, portanto, provavelmente se originam do mesmo padrão de flutuação específico. Somente quando todas as fotos de um grupo são vistas juntas é que surge uma imagem clara da amostra. Os cientistas agora são capazes de rebobinar o filme e associar cada instantâneo com uma imagem clara do estado da amostra naquele momento.

Um exemplo: filmar a “dança dos domínios” em camadas magnéticas

Os cientistas criaram esse novo método para resolver um problema específico no campo do magnetismo: padrões microscópicos que ocorrem em finas camadas ferromagnéticas. Essas camadas são divididas em regiões conhecidas como domínios, nas quais a magnetização aponta para cima ou para baixo. Filmes magnéticos semelhantes são usados ​​em discos rígidos modernos, onde os dois tipos diferentes de domínios codificam bits com “0” ou “1”. Até agora, acreditava-se que esses padrões eram extremamente estáveis. Mas isso é realmente verdade?

Para responder a essa pergunta, a equipe investigou uma amostra composta por essa camada magnética na National Synchrotron Light Source II em Long Island, perto da cidade de Nova York, usando o método CCI recém-desenvolvido. De fato, os padrões permaneceram inalterados à temperatura ambiente. Mas a uma temperatura ligeiramente elevada de 37°C (98°F), os domínios começaram a se mover para frente e para trás de forma irregular, deslocando-se uns aos outros. Os cientistas observaram essa “dança dos domínios” por várias horas. Posteriormente, eles criaram um mapa mostrando a localização preferencial dos limites entre os domínios. Este mapa e o filme dos movimentos levaram a uma melhor compreensão das interações magnéticas nos materiais, promovendo futuras aplicações em arquiteturas avançadas de computadores.

Novas oportunidades para pesquisa de materiais em fontes de raios X

O próximo objetivo dos cientistas é empregar o novo método de imagem em lasers de elétrons livres, como o XFEL europeu em Hamburgo, para obter informações mais profundas sobre processos ainda mais rápidos nas menores escalas de comprimento. Eles estão confiantes de que este método irá melhorar nossa compreensão do papel das flutuações e processos estocásticos nas propriedades dos materiais modernos e, como resultado, descobrir novos métodos de utilizá-los de maneira mais direcionada.

Com informações de Science Daily.

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