IBM rompe barreras: Primera imagen atómica en fase líquida de materiales 2D a temperatura ambiente

Investigadores de IBM en Zurich logran hito en imagen atómica en entornos líquidos.

Más de 35 años después de que los laureados Nobel Gerd Binnig y Heinrich Rohrer inventaran el microscopio de túnel de barrido, científicos de IBM en Zurich han logrado otro hito en imagen átomo por átomo —esta vez en entornos líquidos.

En colaboración con investigadores de la Universidad de Limerick, École Polytechnique Fédérale de Lausanne y Universidad de Massachusetts–Amherst, miembros del equipo de IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann y Heike Riel diseñaron y demostraron una sonda STM molecular robusta que opera a temperatura ambiente en líquido, permitiendo el análisis de materiales emergentes bidimensionales en capas.

Esto representa el primer uso exitoso de una sonda STM molecular con resolución a escala de Ångstrom en medio líquido bajo condiciones de laboratorio estándar, hazaña previamente limitada a entornos de ultra-alto vacío (UHV) o criogénicos.

Los hallazgos se detallan en el artículo "A robust molecular probe for Ångstrom-scale analytics in liquids," publicado hoy en Nature Communications.

Hablé con Peter, especialista en ciencia de superficies moleculares y microscopía de sonda de barrido en fase líquida, para aprender más sobre este avance.

¿Qué elemento del diseño de la sonda permitió la alta resolución lograda?

Peter Nirmalraj: Transitamos de una sonda STM de oro no funcionalizada a terminar químicamente la punta con una sola molécula de C60. Esto reduce reactividad del vértice y enriquece la información espacial obtenible del material. Lograr tal control a nivel atómico en líquido a temperatura ambiente fue un desafío significativo.

¿Qué es particular de la imagen bajo condiciones de laboratorio estándar, frente a condiciones UHV y criogénicas comunes?

PN: La dificultad central reside en mantener la estabilidad de la molécula única en el vértice de la punta. Imagine una montaña invertida coronada con una cereza —esta escala captura la sensibilidad requerida. Mientras que condiciones criogénicas suprimen fluctuaciones, a temperatura ambiente la molécula permanece energética y dinámicamente activa, llevando a inestabilidad. Nuestro trabajo demuestra que una sonda delicada puede estabilizarse en líquidos de alta densidad que amortiguan el movimiento de la molécula anclada.

Cuando el Foro Económico Mundial nombró a los materiales 2D una de las 10 tecnologías emergentes principales de 2016, la capacidad de sondearlos a resolución atómica en entornos realistas se volvió cada vez más crítica. El conocimiento preciso de su compatibilidad ambiental, robustez y propiedades electrónicas es esencial para fabricantes de transistores de película fina, electrónica transparente y flexible.

"Nuestra técnica permite huellas dactilares estructurales y electrónicas más rápidas y fiables de un cuerpo rápidamente creciente de materiales 2D."

—Peter Nirmalraj, científico de IBM Research

Al combinar la resolución más alta alcanzable con condiciones experimentalmente desafiantes, desbloqueamos información valiosa que informa directamente la ingeniería de dispositivos basados en materiales 2D.

¿Qué pasos deben tomarse para avanzar en imagen en interfaces líquido-sólido?

PN: El próximo hito es resolver elementos moleculares individuales con resolución sub-molecular. Experimental y teóricamente, debemos profundizar nuestro entendimiento de los mecanismos de acoplamiento entre la molécula anclada en la punta y el líquido circundante, y evaluar cómo la influencia electrónica y estructural de la molécula mejora el contraste espacial.

Sobre el autor: Millian Gehrer es pasante de verano en IBM Research – Zurich, donde entrevista científicos para aprender sobre su trabajo y motivaciones. En otoño, comenzará estudios de Ciencias de la Computación como estudiante de grado en la Universidad de Princeton.