Pesquisadores usam membrana de ouro para extrair segredos de superfícies

Usando uma membrana especial de ouro fina, os pesquisadores da ETH tornaram significativamente mais fácil o estudo de superfícies. A membrana permite medir propriedades de superfícies que são inacessíveis aos métodos convencionais.

“As superfícies foram inventadas pelo diabo” – esta citação é atribuída ao físico teórico Wolfgang Pauli, que lecionou na ETH Zurique durante muitos anos e em 1945 recebeu o Prémio Nobel de Física pelas suas contribuições à mecânica quântica. Os pesquisadores, de fato, lutam com as superfícies. Por um lado, eles são extremamente importantes tanto na natureza animada quanto na inanimada, mas por outro lado, pode ser terrivelmente difícil estudá-los com métodos convencionais.

Uma equipe interdisciplinar de cientistas de materiais e engenheiros elétricos liderada por Lukas Novotny, professor de fotônica na ETH Zurique, juntamente com colegas da Humboldt-Universität zu Berlin, desenvolveu agora um método que tornará a caracterização de superfícies consideravelmente mais fácil no futuro.

Eles publicaram recentemente os resultados de sua pesquisa, baseada em uma membrana de ouro extremamente fina, na revista científica Comunicações da Natureza.

As superfícies são importantes para a funcionalidade

“Quer tratemos de catalisadores, células solares ou baterias – as superfícies são sempre extremamente relevantes pela sua funcionalidade”, diz Roman Wyss, ex-Ph.D. estudante de ciência dos materiais e primeiro autor do artigo, que hoje trabalha como pesquisador na empresa spin-off da ETH, Enantios.

A razão para esta relevância é que processos importantes geralmente acontecem nas interfaces. Para os catalisadores, estes processos são as reações químicas que são aceleradas na sua superfície. Nas baterias, as propriedades superficiais dos eletrodos são cruciais para sua eficiência e comportamento de degradação.

Por muitos anos, os pesquisadores usaram a espectroscopia Raman para examinar as propriedades dos materiais de forma não destrutiva – isto é, sem destruir o material no processo. Na espectroscopia Raman, um feixe de laser é enviado ao material e a luz refletida é analisada.

A partir das propriedades da luz refletida, cujo espectro de frequência foi modificado pelas vibrações das moléculas do material, podem-se tirar conclusões tanto sobre a composição química do objeto em consideração – também conhecida como sua impressão digital química – quanto sobre a mecânica. efeitos como tensão.

Membrana dourada com poros minúsculos

“Este é um método muito poderoso, mas só pode ser aplicado a superfícies com fortes limitações”, diz Sebastian Heeg, que contribuiu para os experimentos como pós-doutorado no grupo de Lukas Novotny e que agora lidera um grupo de pesquisa júnior na Humboldt-Universität.

Como na espectroscopia Raman a luz laser penetra vários micrômetros no material, o espectro de frequência é afetado principalmente pelo volume do material e apenas em um grau muito pequeno pela sua superfície, que compreende apenas algumas camadas atômicas.

Para aproveitar a espectroscopia Raman também para superfícies, os pesquisadores da ETH desenvolveram uma membrana especial de ouro com apenas 20 nanômetros de espessura e contendo poros alongados com cerca de 100 nanômetros de tamanho.

Quando tal membrana é transferida para uma superfície a ser investigada, duas coisas acontecem. Primeiro, a membrana impede que o feixe de laser penetre no volume do material. Em segundo lugar, nos locais dos poros, a luz laser é concentrada e re-irradiada apenas alguns nanômetros na superfície.

Amplificação de sinal mil vezes

“Os poros atuam como as chamadas antenas plasmônicas – assim como a antena de um telefone celular”, diz Heeg. A antena amplifica o sinal Raman da superfície em até mil vezes em comparação com o sinal da espectroscopia Raman convencional sem membrana. Heeg e seus colegas conseguiram demonstrar isso em vários materiais, incluindo silício tenso e o cristal de perovskita óxido de níquel e lantânio (LaNiO₃).

O silício tenso é importante para aplicações em tecnologias quânticas, mas até agora não foi possível sondar a tensão usando espectroscopia Raman porque o sinal produzido pela superfície foi coberto pelo ruído de fundo da medição.

Após a aplicação da membrana de ouro, o sinal de deformação foi amplificado seletivamente até o ponto em que pudesse ser claramente distinguido dos outros sinais Raman do material.

A perovskita metálica óxido de níquel e lantânio, por outro lado, é um material importante para a produção de eletrodos.

“O forte acoplamento entre sua estrutura cristalina e a condutividade elétrica torna possível controlar a condutividade alterando a espessura do eletrodo em escala nanométrica. A estrutura da superfície, presume-se, desempenha um papel essencial aqui, “diz Mads Weber, ex- pós-doutorado na ETH Zurique e hoje professor assistente na Universidade de Le Mans, que investiga essa classe de materiais e também esteve envolvido no estudo.

Graças ao novo método de membrana de ouro, os pesquisadores conseguiram, pela primeira vez, obter acesso à estrutura superficial do óxido de níquel-lantânio.

“Nossa abordagem também é interessante do ponto de vista da sustentabilidade, já que os equipamentos Raman existentes podem ganhar capacidades completamente novas sem muito esforço”, diz Heeg.

No futuro, os pesquisadores querem melhorar ainda mais o seu método e adaptá-lo às demandas dos usuários. Por exemplo, atualmente os poros da membrana de ouro têm tamanhos diferentes e são orientados aleatoriamente.

Ao produzir uma membrana de ouro com poros de tamanhos iguais alinhados em paralelo, o método poderia ser otimizado para materiais específicos, o que melhoraria a força do sinal Raman por outro fator de cem.