Se dice que los químicos son excelentes cocineros. Especialmente de los orgánicos. De hecho, una pizca de esto, esta pequeña cosa, y el plato está listo. Pero los físicos saben cocinar, e incluso compuestos inorgánicos.
Yulia Terekhova, una empleada del Departamento de Ciencia de Materiales de Semiconductores y Dieléctricos de NITU MISiS, realizó un pequeño milagro científico: mejoró las capacidades de los instrumentos más precisos del mundo: microscopios de sonda de escaneo. Ahora pueden usarse para estudiar la superficie de sustancias a nivel atómico a temperaturas previamente inalcanzables. Hasta ahora, uno solo puede adivinar a qué conducirá esto científicamente: dado que nadie ha visto lo que sucede a las superficies en estas condiciones, el resultado aún es impredecible. Pero una cosa es segura: para descubrir qué secretos guarda la superficie calentada de incluso las sustancias más famosas, todos los laboratorios del mundo tendrán que cambiar el "corazón" de un microscopio con sonda de exploración, una placa piezoeléctrica, gracias a la cual se mueve la aguja de exploración del dispositivo.
Los microscopios de sonda de escaneo (SPM) son dispositivos de investigación científica que permiten no solo examinar objetos a nivel de nanoescala, sino también manipularlos con alta precisión. El principio de funcionamiento de estos microscopios se basa en "sondear" la superficie de la muestra estudiada con una aguja en miniatura, un voladizo. Debe mover dicha aguja con mucha precisión, a distancias del orden de unos pocos nanómetros. Para este propósito, se utilizan dispositivos especiales: actuadores que funcionan sobre la base del efecto piezoeléctrico. Se puede ver en encendedores piezoeléctricos, en los que presionar un botón provoca una fuerte deformación del cristal de cuarzo y la aparición de una chispa eléctrica. En microscopios de sonda, el efecto contrario funciona: el voltaje aplicado deforma el cristal al que está unida la aguja. Al variar el voltaje, puede mover la aguja y, línea por línea, escanear la superficie de esta manera.
Ahora, en la mayoría de los microscopios de sonda de barrido, los tubos de titanato de circonato de plomo (PZT) se usan como piezoeléctrico. Tiene muchas ventajas sobre los competidores, pero no es perfecto. Entonces, por ejemplo, debido a un fenómeno como la histéresis mecánica, el voladizo durante el escaneo puede moverse a un punto impredecible, y la baja resistencia del piezoeléctrico a los cambios de temperatura conduce al hecho de que los resultados experimentales dependen del "clima" en el laboratorio.
Julia sugirió en lugar de PZT-ceramics usar un nuevo material desarrollado en el Departamento de Ciencia de Materiales de Semiconductores y Dieléctricos: monocristales de niobato de litio bidomenon para mover el voladizo.
El niobato de litio en sí mismo se conoce desde hace mucho tiempo: las primeras muestras se obtuvieron en los años 60 del siglo pasado de forma independiente por científicos de la URSS y los EE. UU. Para su uso en láseres y otros dispositivos ópticos. Además de las características ópticas sobresalientes, el niobato de litio también exhibe propiedades piezoeléctricas y no tiene las desventajas inherentes de la cerámica PZT.
Las características piezoeléctricas del niobato de litio son un orden de magnitud peor que el de las piezocerámicas, que hasta hace poco no permitían su uso en microscopios de exploración: se tenía que aplicar demasiado voltaje al niobato para mover la aguja en voladizo una distancia suficiente. Pero un grupo de científicos de NUST "MISiS" pudo resolver este problema. Una placa delgada y cristalina de niobato de litio se recoce para que se formen dos regiones del mismo volumen (dominios) que, cuando se aplica un campo eléctrico, se deforman de manera diferente. Tales cristales se llaman bi-dominio. Habiendo seleccionado correctamente la geometría y orientación de la placa, fue posible obtener desplazamientos significativos del voladizo a bajos voltajes de control.
Gracias al uso de cristales de niobato de litio bidominio, las imágenes se hicieron más claras. Además, se hizo posible estudiar superficies a temperaturas inalcanzables para la cerámica PZT. Ya no es un piezoeléctrico a 150 - 200 ° C, y el niobato conserva propiedades de hasta 450 ° C, lo que nos permite estudiar los cambios en la superficie escaneada durante el calentamiento, por ejemplo.
De acuerdo con los términos de la competencia "U.M.N.I.K." El Fondo de Promoción de la Innovación, que Julia Terekhova ganó con su proyecto, trabajará en él durante dos años. Por el momento, está optimizando una muestra de laboratorio del primer "núcleo" de su tipo para un microscopio. El resultado del estudio debería ser un dispositivo terminado capaz de reemplazar sistemas de desplazamiento obsoletos en microscopios de sonda de escaneo.