>>Em casa ou na escola, você provavelmente usa microscópios ópticos que ampliam com lentes e luz. Eles são bons para ver algumas coisas, como a estrutura celular de uma folha de grama, mas certamente não conseguem ver objetos com apenas um nanômetro. Estou indo ver um microscópio que tem uma maneira diferente de ver as coisas. E é uma das principais inovações que levam ao desenvolvimento da nanotecnologia. Afinal, se você não consegue ver algo, como poderá manipular e construir algo novo com isso? [Música] O Microscópio de Varredura de Túnel foi inventado em 1981 por um físico suíço e um alemão. Eles ganharam o Prêmio Nobel e o microscópio lançou a era da nanotecnologia.
Veja, isso permite que os humanos vejam menores do que nunca. Tão pequenos que podemos ver átomos individuais e até movê-los para criar nanoestruturas avançadas. Os cientistas até escreveram letras usando átomos para demonstrar essa capacidade. Na verdade, este é o menor filme do mundo feito movendo átomos e usando técnicas de vídeo stop motion. Para aprender mais sobre o instrumento que torna possível a visualização de átomos, encontrei-me com Joe Stroscio, que projetou e construiu vários sistemas de microscópio de varredura por tunelamento. À medida que cada microscópio melhora com novos materiais e novas tecnologias, a nossa capacidade de ver o mundo em nanoescala melhora. O Microscópio de Varredura de Tunelamento funciona colocando uma ponta de sonda logo acima da amostra. Do átomo mais próximo na ponta da sonda até o átomo mais próximo da amostra, os elétrons fluem; esse fluxo de elétrons é chamado de corrente de tunelamento porque os elétrons fazem um túnel através do vácuo entre a ponta e a amostra.
À medida que o microscópio varre, a corrente elétrica de tunelamento é mantida constante ajustando a altura da ponta da sonda acima da superfície. Este movimento cria uma imagem. >>Estamos usando elétrons como mecanismo para medir coisas; os elétrons estão realmente medindo outros elétrons. O que você está vendo são realmente as nuvens de elétrons que estão ao redor de todos os átomos. É por isso que as imagens que você obtém realmente parecem uma superfície lisa com características de saliências mostrando a localização onde todos os elétrons estão ao redor dos átomos. Os elétrons ocupam diferentes níveis de energia, então você pode ajustar o microscópio para observar a energia de um elétron específico e obter uma imagem representativa diferente à medida que mudamos a energia dos elétrons que estamos observando. >>Um dos desafios é que toda a matéria está em constante movimento, mesmo que pareça parada aos seus olhos.
Este movimento constante pode ser [ __ ] com temperaturas mais frias. Então, vamos pensar na temperatura. Celsius, Fahrenheit e Kelvin são formas diferentes de medir a temperatura. A 100 graus Celsius a água ferve e, se cair para 0 graus Celsius, a água congela. Mas ainda são apenas 273 graus Kelvin. Você tem que ir MUITO abaixo da água gelada para chegar ao Zero Absoluto na escala Kelvin. E literalmente não há calor…de jeito nenhum…de nada. Então, átomos e moléculas param de se mover. Pelo menos é o que achamos que vai acontecer. Na verdade, ninguém jamais atingiu o zero absoluto. Mas sabemos que quanto mais frio fica, mais lentamente os átomos se movem. Portanto, se você puder construir um microscópio com temperaturas mais baixas, poderá obter uma imagem melhor. >>Nossa geladeira usamos para resfriar o microscópio até dez milikelvin, que é 0,01 graus acima do zero absoluto. Começamos com 4 Kelvin, depois esfriamos para um e meio Kelvin, esfriamos novamente para 0,75 Kelvin, depois 40 milikelvin e finalmente 10 milikelvin. Em seguida, trazemos aquela temperatura fria de 10 milikelvin até o fundo, onde o microscópio é conectado.
Portanto, esta é uma unidade de plugue personalizada onde conectamos o microscópio para medição. >>As baixas temperaturas são boas para ver a matéria, mas podem ser um desafio ao projetar peças para suportar a temperatura. >>Então, eu gostaria de pensar nisso quase como um escultor, como um artista. Então, assim como você pega um pedaço de mármore e o cinzela no formato que deseja; Pego um pedaço de metal e cinzelo para fazer o que eu quero. Fazemos isso em design automatizado por computador. Posso cortar a lateral aqui para que vocês possam ver que aqui dentro há muitas partes diferentes.
Na verdade, aqui está a dica , aqui está a amostra. Um dos problemas no desenvolvimento inicial do microscópio de baixa temperatura foi que todos esses motores que usamos para mover coisas falharam em baixa temperatura. Então essa foi uma das grandes inovações no desenvolvimento do microscópio: desenvolver a tecnologia do motor que realmente sobreviveria quando esfriasse. Então, o que eu gosto de fazer é projetar essas coisas, vê-las ganhar vida na oficina mecânica e então colocar todas as entranhas dentro e fazer uma medição pela primeira vez. >>No Centro de Ciência e Tecnologia em Nanoescala, até o prédio e a sala que abriga o Microscópio de Varredura de Túnel foram especialmente projetados para obter a melhor imagem.
Abaixo do microscópio, seis enormes amortecedores aumentam a estabilidade. Mesmo a menor vibração pode interferir. Ao lado, em um laboratório dedicado, câmaras separadas cultivam amostras, como cobalto ou outros metais. Usando vácuo ultra-alto, a amostra pode ser transferida diretamente para o microscópio, sem sequer uma partícula de poeira perdida para bloquear a visão dos átomos. Mover átomos por meio de planejamento de trajetória computacional é um dos avanços mais recentes . Mais ou menos como quando você usa o Google para encontrar as melhores rotas no trânsito.
Mover átomos nunca foi tão rápido. NIST, as iniciais do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, foi escrito em apenas 43 minutos. Portanto, se pudermos mover os átomos nós mesmos, poderemos colocá-los onde quisermos e isso significa que podemos projetar nanoestruturas personalizadas. A invenção do Microscópio de Varredura de Túnel e as inovações que melhoraram suas habilidades permitem que a mão humana alcance o mundo em nanoescala. >>Então cada avanço exige novas tecnologias e é isso que fazemos aqui. É isso que gostamos de fazer e essa nova tecnologia nos dá novas capacidades de medição que nos permitem abrir o universo para muito mais investigação onde antes não podíamos ver coisas.
Assim, cada avanço na instrumentação nos permite medir algo que não podíamos medir antes..
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