De acordo com um estudo publicado em Ciênciaos pesquisadores criaram uma nova ferramenta de imagem 3D que quebrou recordes. A ferramenta emprega raios X de alta energia para revelar ou “visualizar” a estrutura interna do nanomateriais.
Nanoestruturas 3D são essenciais para o avanço de muitas aplicações. Compostas por nanomateriais – substâncias naturais e sintéticas que são mais de 10.000 vezes mais finas que um fio de cabelo humano – estas estruturas são essenciais numa variedade de campos, incluindo o desenvolvimento de novos biomateriais, catalisadores, células solares e outros dispositivos que interagem com a luz.
Um método para criar essas nanoestruturas envolve o uso de DNA personalizado para programar a montagem dos materiais. Isso abre a porta para novos materiais cujas propriedades podem ser ajustadas em nanoescala.
O impacto
Para criar nanoestruturas, os pesquisadores precisam investigar sua arquitetura interna em três dimensões em vários estágios de montagem. No entanto, os métodos atuais de sondagem em nanoescala são limitados. Para gerar tomografia computadorizada (TC) de raios X, os pesquisadores empregaram uma série de técnicas, incluindo fontes de luz poderosas.
Essas varreduras forneceram uma resolução sem precedentes de 7 nanômetros e informações detalhadas sobre os elementos contidos nos materiais. Os pesquisadores então construíram estruturas 3D para revelar as imperfeições e interfaces das nanoestruturas, o que também esclareceu o processo de montagem dessas estruturas.
Resumo
A nanofabricação bottom-up é uma abordagem promissora para a criação de materiais 3D complexos por meio da automontagem de nanocomponentes funcionais. Em specific, a codificação do DNA pode fornecer um alto nível de controle estrutural e de composição para programar uma organização materials única e específica.
Neste estudo, os pesquisadores desenvolveram um novo nanomaterial automontável com novas propriedades catalíticas, mecânicas e eletrônicas. A pesquisa utilizou o Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação de usuário do DOE no Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL).
Embora esta técnica oferecesse aos pesquisadores um controle significativo sobre o materials projetado, ainda não estava claro como vários projetos e protocolos de fabricação influenciavam sua estrutura e funcionalidade.
A equipe desenvolveu uma ferramenta de tomografia computadorizada de raios X na linha de luz Onerous X-ray Nanoprobe (HXN) no NSLS-II, permitindo a imagem da arquitetura interna dos nanomateriais. Isso foi conseguido integrando a brilhante fonte de raios X da Nationwide Synchrotron Gentle Supply II (NSLS-II), outra instalação de usuário do DOE no Brookhaven Nationwide Laboratory (BNL), com lentes Laue multicamadas de nanofocagem.
Uma fase crítica deste estudo envolveu a criação de novas ferramentas de software program para ajudar a dividir as grandes quantidades de dados em partes gerenciáveis para processamento e análise. Através de um processo iterativo, a equipe visualizou com sucesso as estruturas 3D de nanopartículas e estruturas individuais, superando o desafio significativo de identificar vários tipos de defeitos nas estruturas formadas. Eles também confirmaram a resolução recorde da microscopia de raios X usando análise padrão e técnicas de aprendizado de máquina.
As capacidades sinérgicas dos novos nanomateriais funcionais produzidos através da fabricação bottom-up, combinadas com a sofisticada ferramenta de tomografia computadorizada de raios X 3D e software program de análise inovador, facilitam o desenvolvimento e caracterização mais rápidos de materiais.
O Escritório de Pesquisa do Exército do Departamento de Defesa, o Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE) e o Escritório de Ciências Básicas de Energia forneceram financiamento para este estudo. O Centro de Nanomateriais Funcionais e a Fonte Nacional de Luz Síncrotron II, ambas instalações usuárias do DOE Workplace of Science, forneceram recursos de pesquisa.
Referência do periódico:
Arão, M. et. tudo. (2024) Visualização tridimensional de redes de nanopartículas e estruturas multimateriais. Ciência. doi.org/10.1126/science.abk0463