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Pesquisadores ampliam a capacidade de um microscópio eletrônico para explorar novos domínios
Fonte Universidade de Tokyo: Superpoderes Magnéticos, agora no primeiro mundo, um superpoderoso microscópio eletrônico de transmissão (TEM) recebe novos e extraordinários poderes de visão, que permitem a visualização de materiais magnéticos em detalhes sem precedentes. A atualização inovadora modifica um componente funcional chave do design típico do TEM. Isso permite que os TEMs analisem amostras magnéticas, que normalmente não podem ser vistas por tais dispositivos. A atualização abre uma ampla gama de possibilidades de pesquisa.
Toda vez que uma nova invenção para sondar alguma parte da realidade é criada, ela expande nossos horizontes. Por volta da virada do século XVII, os primeiros microscópios nos deram acesso a microorganismos e telescópios que trouxeram planetas distantes aos olhos dos astrônomos. Avançar para o século 20 e os microscópios eletrônicos permitiram que as pessoas visualizassem átomos individuais. Esses dispositivos mudaram nosso mundo, mas eles tiveram uma limitação severa – até agora.
Então, qual é o problema com os TEMs?
Os TEMs funcionam disparam um feixe de elétrons através de uma amostra para criar uma imagem em um sensor atrás da amostra. Uma lente magnético foca o feixe antes de atingir a amostra. Isso é análogo ao modo como uma lente de câmera óptica funciona. No entanto, como a lente em um TEM é magnética, ela impede a geração de imagens de materiais magnéticos, pois as lentes e as amostras interfeririam umas nas outras, arruinando os dados e possivelmente até danificando equipamentos caros.
Essa limitação é lamentável, pois os materiais magnéticos não são apenas interessantes, mas são de importância crucial para grande parte da sociedade moderna. Praticamente toda a tecnologia eletrônica de alguma forma faz uso de materiais magnéticos. Frustrado, mas não dissuadido, por esse obstáculo, o professor Naoya Shibata, da Escola de Engenharia de Pós-Graduação da Universidade de Tóquio, e seus colegas, em colaboração com a JEOL Ltd., decidiram que os TEMs deveriam ser atualizados.
“Passei anos pesquisando materiais magnéticos, incluindo metais e cerâmicas”, disse Shibata. “Existem diferentes microscópios que podem ver materiais magnéticos, como os microscópios eletrônicos de varredura (SEMs), mas, ao contrário dos TEMs, eles só veem a superfície externa das amostras e têm uma resolução muito menor. O cerne do problema com TEMs é que a amostra é colocada dentro da lente magnética. Então, exploramos maneiras de contornar isso e, finalmente, conseguimos! ”
Como a equipe resolveu o problema?
A solução é elegantemente simples (pelo menos em princípio). Coloca-se alguma distância entre a amostra e a lente; isso mantém a amostra isolada magneticamente para que os dois componentes não interfiram magneticamente. Essa separação normalmente turva a imagem resultante, mas Shibata e seus colegas colocaram uma segunda lente atrás da amostra, o que traz a imagem de volta ao foco.
É claro que a teoria e especialmente a engenharia são muito mais complexas do que essa descrição, mas essa é a ideia básica. Na realidade, há uma grande quantidade de deformação ou aberração de imagem resultante do uso de duas lentes. No entanto, nos últimos anos, foi inventado um sistema de correção de aberração da lente (LAC), que a equipe incorporou em sua atualização.
A LAC assume a forma de outro tipo de lente magnética que complementa as principais. Voltando à analogia da lente da câmera, se você abrisse uma delas, veria que algumas vezes há dezenas de elementos de vidro que compõem o sistema de focalização, cada um ali para corrigir alguma aberração ou outra falha óptica com a lente primária. Mas houve problemas além do controle do campo magnético que desafiaram a equipe.
“Uma vez que tivemos o nosso sistema de lentes duplas e LAC no lugar, foi doloroso ainda ver muito barulho em nossas imagens de teste”, continuou Shibata. “Uma das razões para isso foi a alteração estranha de temperatura, os campos magnéticos e a vibração física do ambiente externo – carros, trens, esse tipo de coisa. Por isso, fizemos um grande esforço para resfriar o laboratório sem um condicionador de ar barulhento. Também adicionamos amortecedores mecânicos ativos para cancelar movimentos indesejados. E finalmente, funciona com Superpoderes Magnéticos.
Agora existe, o que você pode fazer com isso?
Um TEM que pode ver materiais magnéticos abre uma nova janela para o mundo da ciência dos materiais. Shibata pode finalmente estudar metais e cerâmicas em detalhes, o que poderia levar à criação de novos materiais resilientes.
Os físicos podem estudar magnetismo nas menores escalas para explorar aplicações como computadores ultra-rápidos spintrônicos ou armazenamento magnético de alta capacidade. E com uma resolução de cerca de um angstrom (um-dez bilionésimo de um metro), Shibata espera ver corretamente o campo magnético de um átomo individual, que nunca foi visto antes.
“Criar este sistema delicado e instalá-lo em um microscópio eletrônico parecia que estávamos realizando uma cirurgia cardíaca”, concluiu Shibata. “Mas todo o tempo e esforço que dedicamos a isso vale a pena para ver as incríveis imagens que podemos finalmente criar. Espero inspirar novos pesquisadores no campo para explorar o que essa tecnologia pode fazer e o que ela pode levar ”. Superpoderes Magnéticos
SHIBATA Naoya / Professor / Escola de Pós-Graduação em Engenharia
Superpoderes Magnéticos
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