Per la prima volta nella lunga e decantata storia della microscopia elettronica a scansione, l'unica struttura atomica sulla superficie di un materiale è stata risolta. Questo punto di riferimento nell'imaging scientifico è stato reso possibile da una nuova tecnica analitica sviluppata da un team multi-istituzionale di ricercatori, inclusi scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

"Abbiamo sviluppato un metodo ragionevolmente diretto per determinare la struttura atomica di una superficie che affronta anche il problema molto impegnativo delle interfacce sepolte, "dice Jim Ciston, uno scienziato del personale con il Centro Nazionale per la Microscopia Elettronica (NCEM) presso la Molecular Foundry, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "Sebbene gli atomi di superficie rappresentino una minuscola frazione del numero totale di atomi in un materiale, questi atomi guidano gran parte delle interazioni chimiche del materiale con il suo ambiente".

Ciston è l'autore principale e corrispondente di un articolo che descrive questo nuovo metodo analitico sulla rivista Comunicazioni sulla natura . L'articolo è intitolato "Determinazione della superficie attraverso l'imaging di elettroni secondari risolti atomicamente". Altri coautori sono Hamish Brown, Adriano D'Alfonso, Pratik Koirala, Colin Opus, Yuyuan Lin, Yuya Suzuki, Hiromi Inada, Yimei Zhu, Les Allen, e Laurence Marchi.

La maggior parte dei materiali interagisce con altri materiali attraverso le loro superfici, che sono spesso differenti sia nella struttura che nella chimica dalla massa del materiale. Molti processi importanti avvengono sulle superfici, che vanno dai catalizzatori utilizzati per la generazione di combustibili ad alta densità energetica dalla luce solare e dall'anidride carbonica, a come i ponti e gli aeroplani arrugginiscono.

"In sostanza, la superficie di ogni materiale può fungere da rivestimento di nanomateriali che può modificarne notevolmente la chimica e il comportamento, " Dice Ciston. "Per comprendere questi processi e migliorare le prestazioni dei materiali è fondamentale sapere come sono disposti gli atomi sulle superfici. Sebbene ora ci siano molti buoni metodi per ottenere queste informazioni per superfici piuttosto piatte, quando le superfici sono ruvide, la maggior parte degli strumenti attualmente disponibili sono limitati in ciò che possono rivelare."

"La bellezza di questa tecnica è che possiamo visualizzare simultaneamente atomi di superficie e atomi di massa, " dice il co-autore Zhu, uno scienziato al Brookhaven National Laboratory. "Attualmente nessuno dei metodi esistenti può raggiungere questo obiettivo".

La microscopia elettronica a scansione (SEM) è una tecnica eccellente per lo studio delle superfici, ma in genere fornisce informazioni solo sulla topologia a risoluzione su scala nanometrica. Una nuova versione molto promettente della microscopia elettronica a scansione, chiamato "microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione, " o HRSEM, estende questa risoluzione alla scala atomica e fornisce informazioni contemporaneamente sia sugli atomi di superficie che su quelli di massa, mantenendo gran parte della sensibilità superficiale del SEM tradizionale attraverso gli elettroni secondari.

Gli elettroni secondari sono il risultato di un fascio di elettroni altamente energizzato che colpisce un materiale e fa sì che gli atomi nel materiale emettano energia sotto forma di elettroni anziché di fotoni. Poiché una grande porzione di elettroni secondari viene emessa dalla superficie di un materiale oltre alla sua massa, sono buone risorse per ottenere informazioni sulla struttura della superficie atomica. Però, la selettività superficiale di HRSEM non è mai stata sfruttata appieno.

"Anche se da diversi anni sono disponibili strumenti potenti, i progressi nelle applicazioni della scienza dei materiali sono stati lenti a causa dell'incapacità di interpretare direttamente i componenti di superficie e di massa delle immagini HRSEM in modo indipendente, " Ciston dice. "Questa difficoltà derivava dalla mancanza di un quadro teorico completamente sviluppato per comprendere la formazione dell'immagine SEM su scala atomica".

I metodi esistenti di simulazione dell'immagine di elettroni secondari dovevano essere estesi per tenere conto dei contributi degli orbitali di valenza nel materiale, lui dice, e anche l'effetto dello screening dielettrico sull'efficienza di generazione del segnale da quegli orbitali di valenza.

Per verificare l'efficacia del loro nuovo quadro teorico, Ciston, Allen, Marks ei loro colleghi hanno raccolto e analizzato in dettaglio una serie di immagini HRSEM di una particolare disposizione di atomi sulla superficie del titanato di stronzio. Questi esperimenti sono stati accoppiati con attente simulazioni di immagini di elettroni secondari, calcoli della teoria del funzionale della densità, e microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione con correzione dell'aberrazione.

"Le immagini di microscopia elettronica a trasmissione convenzionale sono ben comprese ed erano necessarie per confermare che avevamo effettivamente la struttura corretta e che la nuova teoria HRSEM era sulla strada giusta, " Dice Ciston. "Prese collettivamente, l'analisi ci ha permesso di fare riferimento inequivocabilmente alle informazioni di superficie alle informazioni dal cristallo di massa".

L'eccellente accordo tra calcoli e risultati sperimentali ha mostrato che HRSEM è uno strumento molto promettente per la determinazione della struttura superficiale, compreso l'impegnativo argomento della registrazione bulk/surface. Dalla loro dimostrazione, la collaborazione ha scoperto che le strutture superficiali atomiche precedentemente riportate per il titanato di stronzio con una "periodicità 6x2" sono sbagliate, non essendo riuscito a rilevare un'insolita coordinazione sette volte all'interno di una copertura superficiale tipicamente elevata di gruppi di ossido di titanio.

"Abbiamo iniziato questo lavoro indagando su un materiale ben studiato, ma la nuova tecnica è così potente che abbiamo dovuto rivedere molto di ciò che si pensava fosse già noto, "dice Ciston.

Co-autore Allen, uno scienziato della Melbourne University in Australia, che ha guidato gli aspetti teorici e modellistici della nuova tecnica di imaging, aggiunge:"ora abbiamo una comprensione sofisticata del significato delle immagini".

Forse il primo obiettivo per l'applicazione di questa nuova tecnica analitica di superficie HRSEM sarà lo studio delle strutture superficiali sulle sfaccettature delle nanoparticelle. Le strutture superficiali delle sfaccettature delle nanoparticelle sono estremamente difficili da visualizzare nella vista in pianta (vista dall'alto) utilizzando la microscopia elettronica, un deficit che deve essere corretto come spiega Ciston.

"La geometria della vista in pianta è importante perché le strutture superficiali spesso svilupperanno più domini, e dobbiamo essere sicuri di non proiettare attraverso più strutture e orientamenti, " dice. "Questo è un problema molto impegnativo poiché le tecniche di scansione della sonda di solito non possono affrontare superfici di nanoparticelle a risoluzione atomica, e la diffrazione dei raggi X di superficie richiede grandi, superfici monocristalline."

Dice il coautore Marks, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Northwestern University, "Siamo anche piuttosto entusiasti delle possibilità di applicarli ai problemi di corrosione. Il costo per l'industria e le forze armate della corrosione è enorme, e dobbiamo capire tutto ciò che sta accadendo per produrre materiali che dureranno più a lungo".