Dizem que os químicos são excelentes cozinheiros. Especialmente de orgânicos. De fato, uma pitada disso, dessa coisinha e o prato está pronto. Mas os físicos sabem cozinhar, e até compostos inorgânicos.
Yulia Terekhova, uma funcionária do Departamento de Ciência dos Materiais de Semicondutores e Dielétricos da NITU MISiS, realizou um pequeno milagre científico: ela aprimorou as capacidades dos instrumentos mais precisos do mundo: microscópios de varredura. Agora eles podem ser usados para estudar a superfície de substâncias em nível atômico a temperaturas anteriormente inatingíveis. Até agora, só podemos adivinhar o que isso levará cientificamente: como ninguém viu o que acontece nas superfícies sob essas condições, o resultado ainda é imprevisível. Mas uma coisa é certa: para descobrir o segredo da superfície aquecida das substâncias mais famosas, todos os laboratórios do mundo terão que mudar o "coração" de um microscópio de sonda de varredura - uma placa piezoelétrica, graças à qual a agulha de varredura do dispositivo se move.
Os microscópios de sonda de varredura (SPMs) são dispositivos de pesquisa científica que permitem não apenas examinar objetos em nível de nanoescala, mas também manipulá-los com alta precisão. O princípio de operação de tais microscópios é baseado em "sondar" a superfície da amostra estudada com uma agulha em miniatura - um modilhão. Você precisa mover essa agulha com muita precisão, por distâncias da ordem de alguns nanômetros. Para esse fim, são utilizados dispositivos especiais - atuadores operando com base no efeito piezoelétrico. Pode ser visto em isqueiros piezoelétricos, nos quais pressionar um botão causa uma deformação acentuada do cristal de quartzo e o aparecimento de uma faísca elétrica. Em microscópios de sonda, o efeito oposto funciona - a tensão aplicada deforma o cristal ao qual a agulha está conectada. Variando a tensão, você pode mover a agulha e, linha por linha, digitalizar a superfície dessa maneira.
Agora, na maioria dos microscópios de sonda de varredura, os tubos de titanato de zirconato de chumbo (PZT) são usados como piezoelétricos. Tem muitas vantagens sobre os concorrentes, mas não é perfeito. Assim, por exemplo, devido a um fenômeno como a histerese mecânica, o cantilever durante a varredura pode se mover para um ponto imprevisível, e a baixa resistência do piezoelétrico às mudanças de temperatura leva ao fato de que os resultados experimentais dependem do "clima" no laboratório.
Julia sugeriu, em vez da cerâmica PZT, o uso de um novo material desenvolvido no Departamento de Ciência dos Materiais de Semicondutores e Dielétricos - cristais únicos de bidioon niobato de lítio e níquel para mover o cantilever.
O niobato de lítio já é conhecido há muito tempo - as primeiras amostras foram obtidas nos anos 60 do século passado de forma independente por cientistas da URSS e dos EUA para uso em lasers e outros dispositivos ópticos. Além das excelentes características ópticas, o niobato de lítio também exibe propriedades piezoelétricas e não possui as desvantagens inerentes à cerâmica PZT.
As características piezoelétricas do niobato de lítio são uma ordem de magnitude pior que a dos piezocerâmicos, que até recentemente não permitiam seu uso em microscópios de sondas: era necessário aplicar muita tensão ao niobato para mover a agulha cantilever a uma distância suficiente. Mas um grupo de cientistas da NUST "MISiS" conseguiu resolver esse problema. Uma fina placa cristalina de niobato de lítio é recozida para formar nela duas regiões do mesmo volume (domínios) que, quando um campo elétrico é aplicado, são deformadas de maneira diferente. Tais cristais são chamados de dois domínios. Após selecionar corretamente a geometria e a orientação da placa, foi possível obter deslocamentos significativos do cantilever em baixas tensões de controle.
Graças ao uso de cristais de niobato de lítio com dois domínios, as imagens se tornaram mais nítidas. Além disso, tornou-se possível estudar superfícies a temperaturas inatingíveis para a cerâmica PZT. Ele deixa de ser um piezoelétrico já entre 150 - 200 ° C e o niobato mantém propriedades de até 450 ° C, o que nos permite estudar alterações na superfície digitalizada durante o aquecimento, por exemplo.
De acordo com os termos da competição "U.M.N.I.K." O Fundo de Promoção à Inovação, que Julia Terekhova ganhou com seu projeto, trabalhará nele por dois anos. No momento, ela está otimizando uma amostra de laboratório do primeiro "núcleo" do tipo para um microscópio. O resultado do estudo deve ser um dispositivo acabado capaz de substituir sistemas de deslocamento obsoletos em microscópios de sonda de varredura.