E se você continuar dando zoom?

esta pequena peça de metal tem apenas 3 mm de largura veja o que acontece ao aumentar o zoom cada vez mais 1000 vezes 100.000 vezes 50 milhões de vezes cada uma dessas manchas é um átomo real na universidade de Sydney vi algo que explodiu minha mente pois há 30 anos acreditava-se que ver átomos diretamente assim era impossível as salas que você vai ver aqui são Talvez os mais protegidos no Campus ou até mesmo em toda Sydney eu diria e talvez também os mais caros Isso é incrível Então por que que é tão difícil ver átomos não é possível ver átomos com luz visível isso ocorre porque enquanto a luz tem comprimentos de onda entre 380 e 750 nôm um átomo ainda é mais de 3.000 vezes menor apenas 0.1 nôm se o comprimento de onda da Luz for muito maior do que o objeto que você tenta ver a luz vai difratam Lis de brogle descobriu que tudo era meio ondulatório não apenas luz mas matéria também átomos moléculas até você mesmo tem um comprimento de onda a fórmula para esse comprimento de onda é a constante de plk dividida pelo momentum do objeto que é massa vezes velocidade Aqui você vê a coluna do microscópio onde aceleramos 300 kv para baixo 300 kv desses elétrons sim então eles são partículas relativísticas quão rápido eles estão se movendo 99% da velocidade da luz por volta dos 80 80% sim Então qual seria o comprimento de onda deles o comprimento de onda é a constante de plan sobre o momento certo então se calcularmos isso chegaremos a cerca de dois A TR picômetro [Música] [Música] cientistas alemães começaram a desenvolver um microscópio que usaria elétrons de alta velocidade O problema é que não se pode desviar elétrons usando lentes de vidro Então como você os focaliza Hans Bush físico alemão sugeriu que uma lente eletromagnética seria a solução Ele publicou seus resultados em 1926 mas nunca chegou a construir um por sorte uma cópia de seu trabalho chegou às mãos de Ernest ruska um jovem e entusiasmado doutorando ruska construiu seu primeiro protótipo enrolando um fio com ferro deixando uma lacuna no meio quando uma corrente passou pela bobina induziu um campo magnético em forma de rosquinha através do metal e pela lacuna essa era a lente dele para testá-lo ruska primeiro Ferveu elétrons de um filamento de tungstenio igual ao de uma lâmpada incandescente ele acelerou os elétrons livres por um anodo positivo até sua lente eletromagnética quando um elétron se aproxima da lente o campo magnético o atrai portanto se um elétron se move no eixo Y e os campos magnéticos estão no eixo X a força de Lawrence o empurra no eixo Z conforme o elétron se move encontra linhas de campo magnético ao longo da rosquinha que direcionam seu movimento em um círculo esse movimento circular faz a força de Lawrence empurrar o elétron para dentro fazendo-o espiralar ao centro da lente agora se você traçar o caminho de todo o feixe de verá que todos são direcionados para o centro focando o feix em 1931 ruska e seu colega Max KN usaram esse design para construir o primeiro microscópio eletrônico funcional Era bastante básico feito de latão rudemente parafusado mas funcionava a imagem era criada quando o feixe de elétrons focado atingia uma amostra no ponto focal amostra precisava ser incrivelmente Fin com cerca de 100 nôm de espessura mais elétrons atravessariam as partes finas da amostra do que as grossas gerando uma impressão eletrnica da mesma depois umaa lente eletromagnética ampliava essa impressão para um detector fluorescente produzindo a imagem final ISO era conhecido como microscópio eletrnico de transmissão ou Mat primeiras versões do microscópio ampliava um pouco na verdade nem era melhor que um microscópio óptico mas ruska estava determinado nos anos seguintes Ele experimentou adicionar mais lentes ao microscópio para criar imagens cada vez maiores em meados dos anos 30 ruska já havia ultrapassado a ampliação de 10.000 vezes com o Mat ele permitia observar insetos bactérias e até vírus num nível muito superior ao do microscópio óptico mas Justo quando o Mat de resca estava decolando um físico alemão chamado Otto scherzer publicou um artigo afirmando que o microscópio estava prestes a se deparar com um problema havia uma falha na lente eletromagnética ele escreveu que era completamente inevitável para que um elétron chegue ao foco da lente ele precisa ser desviado por uma quantidade específica se você simplificar sua trajetória pode definir esse desvio Ideal com este ângulo teta este ângulo depende da distância horizontal do elétron em em relação ao eixo óptico e de quão longe o foco está no eixo também conhecido como distância focal quanto menor a distância focal maior a ampliação se você representar esse ângulo em função da distância ao eixo óptico verá que ele é aproximadamente linear O problema é que o campo magnético não escala linearmente é muito mais forte perto das bordas do ã então se você traçar a curva para o desvio real dos elétrons verá que o campo magnético desvia demais os elétrons mais para fora seus ângulos são maiores que o ideal Então focam antes dos raios centrais e como resultado o foco é espalhado ao longo do eixo óptico em vez de estar contido em um único ponto o desfoque começa nas bordas da imagem mas piora quanto maior a ampliação isso é chamado de aberração esférica e distorce toda a lente Magnética radialmente simétrica na verdade não afeta apenas as lentes magnéticas toda a lente esférica desde uma câmera até um telescópio ou uma lente de aumento também sofre com isso porém há uma forma incrivelmente fácil de reduzir a aberração esférica basta adicionar uma segunda lente uma que Diverge a luz em vez de convergir uma lente divergente também possui aberração esférica se tiver a mesma quantidade de aberração que a lente convergente mas em sentido inverso você pode empilhá-los para anular seus efeitos remover vendo quase completamente as aberrações quase todos os sistemas de lentes modernos em câmeras e microscópios utilizam lentes divergentes de correção então você pode imaginar que o microscópio eletrônico de transmissão precisa apenas de sua própria versão de uma lente esférica divergente para ampliar ainda mais mas com imans isso é fisicamente impossível todo ã tem dois polos um Norte e um Sul é impossível ter apenas um mesmo se você dividir um imã ao meio ele cria dois imãs menores ambos com um Norte e um Sul todas as linhas de campo magnético começam em um polo e terminam no outro formando um ciclo fechado é um resultado direto da segunda equação de Maxwell porque o campo que você cria tem linhas que começam e terminam no mesmo ímã Então os elétrons sempre atravessarão duas linhas a primeira vez que passa pela força de Lawrence é levado ao movimento em espiral na segunda vez a partir desse movimento em espiral com uma direção ligeiramente diferente é empurrado em direção ao eixo é por isso que todas as lentes eletromagnéticas por padrão convergirão o feixe e nunca o divergiram mesmo que você dispare elétrons do outro lado da lente eles ainda serão focalizados o artigo de Otto scherzer em 1936 provou isso interrompendo o progresso do Mat é impossível produzir uma lente magnética radialmente simétrica que Diverge Isso foi um grande obstáculo para o desenvolvimento da microscopia eletrônica pois as pessoas perceberam que podiam acelerar os elétrons o quanto quisessem a presença da aberração esférica sempre estará no caminho devido a esse obstáculo os avanços na resolução do microscópio reduziram consideravelmente por volta de 1955 outro microscópio venceu o Meti na corrida e tirou a primeira imagem geralmente aceita de átomos o microscópio de íons de Campo funcionava atirando átomos de Hélio ou neônio em uma ponta de agulha atomicamente afiada a ponta positivamente carregada ionizavel particularmente à superfície e isso poderia formar uma impressão da estrutura atômica da ponta mas esse método era limitado você só poderia ter uma noção da estrutura atômica da Ponta da Agulha e as imagens não eram tão marcantes felizmente o microscópio eletrônico de rusca não ficaria restrito apenas a insetos e bactérias agora físico britânico americano Albert Crew sua ideia era substituir o filamento de tungstenio que disparava elétrons aleatoriamente por uma fonte mais direcionada Então em vez de ferver elétrons na superfície ele tentou puxá-los com um campo elétrico mais forte e ao afiar o Stenio em uma ponta fina ele conseguiu criar um feixe Estreito que era mais de 1 vezes mais brilhante do que antes ele combinou seu novo feixe Estreito com uma tecnologia pouco provável a TV de tubo essas TVs funcionavam escaneando elétrons em uma tela a tela era revestida com fósforo que brilhava quando atingida por elétrons variando a intensidade do feixe de elétrons era possível variar o brilho da tela gerando uma imagem em preto e branco [Música] a equipe foi inspirada a projetar um feixe de elétrons semelhante para o Mat que varreria a amostra nanoscópica Então em vez de criar uma impressão da amostra toda de uma vez o feixe de elétrons de Crew fez impressões menores mapeando a amostra Pouco a Pouco Essa não foi a primeira vez que alguém tentou fazer uma versão de varredura do Mat o pesquisador alemão manfred Von Arden construiu um protótipo Inicial nos anos 30 Mas ele foi destruído durante segunda guerra mundial quando Crew reviveu o design de Arden ele fez várias melhorias drásticas e por 1970 ele tinha isso a primeira imag de átomos individuais tirada com o microscópio eletrônico pesquisadores log utilizaram sua tecnologia gerando várias imagens de átomos após Quase Um século de melhorias de rusca Crew e muitos outros as atualizações de aumento no Mat atingiram seu ápice Mas o problema de sherer persistia as aberrações esféricas estabeleciam um limite rígido para o quão pequeno você poderia ver mesmo após mais de uma década Crew desistiu de tentar contorná-lo infelizmente nunca conseguimos que isso funcionasse depois de muitas tentativas frustrantes tivemos que admitir a derrota nessa época surgiram outros microscópios capazes de criar imagens de átomos esses microscópios de sonda Fun deslizando um minúsculo estilete sobre a amostra o estilete detecta variações em efeitos quânticos ou forças em nanoescala para mapear a estrutura superficial da amostra esses eram mais fáceis de construir e como não usavam lentes não eram limitados pela aberração esférica suas imagens eram até 3D Mas o problema iminente era que esses sensores não estavam realmente vendo átomos era mais como senti-los nos anos 80 e 90 isso era tudo que tínhamos e se houvesse outra maneira o teorema de Scherer provou que uma lente radialmente simétrica divergente não é possível porém se você estiver disposto a abandonar essa simetria o teorema não se aplica o problema é que a simetria Radial É possivelmente a propriedade mais importante de qualquer lente porque se você quebrar a simetria também quebra a imagem porém três cientistas incomuns acreditavam em uma possível solução Urban Max hudder e Harold Rose eram conhecidos como encrenqueiros na comunidade de microscópio eletrônico e por anos quase ninguém se interessou pela pesquisa deles ou mais importante em financiá-la e por um bom motivo também a ideia deles era meio louca quer dizer eles propositalmente queriam quebrar a imagem usando uma lente que não era simétrica a esperança deles era que houvesse uma pequena parte desta imagem distorcida que fosse um pouco Divergente e talvez a apenas talvez essa pequena parte pudesse corrigir a aberração esférica da lente original então eles começaram a trabalhar para distorcer a imagem eles usaram um enorme ninho de eletroimã com se oito ou até 10 bobinas separadas e ímã com Campos magnéticos irregular esses eram conhecidos como os ímans hexapole ia a imagem plana em uma cela triangular e a circunferência do feixe original seria empurrada para os três cantos com o resto do interior esticado mas agora o meio da imagem teria uma ligeira curva côncava dando o efeito de uma pequena divergência Rose hadder e Urban forçaram o feixe por um segundo he Apolo que funcionava de maneira oposta desdobrando a imagem distorcida de volta para uma forma circular Mas agora eles calcularam essa essa nova imagem poderia ainda ter os resquícios daquela pequena divergência em seu centro com a aberração esférica apontando no sentido oposto se acertassem em seus cálculos e engenharia poderiam alimentar uma imagem com aberração esférica através dessas duas lentes para quase completamente contrabalancear o efeito Imagino que muitos na área Acharam a ideia maluca quando proposta não é não apenas o conceito mas acredito que isso também seja Tecnicamente viável pensava-se que isso não era possível em Maio de 1997 com apenas do meses de desenvolvimento restantes antes do último patrocinador retirar o apoio a versão mais recente da lente ainda estava no papel milagrosamente em 23 de julho uma sem antes dos Fundos se esgotarem a nova lente ficou pronta para testes eles colocaram cuidadosamente na lupa mas como todas as vezes anteriores a lente era instável e falhou eles decidiram desligar o equipamento por 24 horas para os imans se assentarem E então às 2as da manhã do dia 24 eles ligaram novamente e quase que magicamente a imagem começou a se estabilizar de repente não havia aberração apenas belas e nítidas imagens de átomos após mais de seis décadas de fracassos Urban hose e haer conseguiram o que parecia Impossível com este método eles reduziram a resolução do Mat para apenas 0.13 nôm uma imagem média de Mat passou disso para isto há meses após o progresso do grupo newt Urban participou de uma conferência de microscopia para compartilhar os resultados porém devido à reputação do grupo ele foi relegado a uma saleta nos fundos que passou quase despercebida porém logo a notícia se espalhou que surpreendentemente suas imagens pareciam reais então uma multidão de espectadores se formou pessoas se alinhavam do lado de fora para ver de relance suas imagens incrivelmente [Música] nítidas Então nós vamos conseguir um suporte de amostra sim agora nós tiramos um suporte de amostra colocamos isso sobre o microscópio então a amostra em si é uma pequena lâmina que você não consegue ver sem o microscópio óptico sim dê uma olhada nisso lindo sobre o b há um espinho sim e bem no topo disso do lado esquerdo parece um pouco de poeira essa é a nossa amostra [Música] real OK agora eu simplesmente aumento a ampliação e faço alguns alinhamentos básicos a mais neste microscópio eletrônico de transmissão os elétrons sempre atravessam a amostra aqui nós observamos toda a nossa amostra ao mesmo tempo e é por isso que é tão importante que alinhem a amostra é possível imaginar átomos em alta simetria alinhados como pérolas em um cordão quando olhamos para baixo bem Podemos ver uma imagem mas se estivermos em uma direção aleatória Então tudo estaria apenas borrado é por isso que precisamos fazer uma inclinação no final e é aqui que começa a amostra real o titanato de estroncio essa é uma região fina onde esperamos obter revolução atômica então é 5000 vezes uau e nós vemos estrôncio titânio vemos oxigênio vemos carbono isso é contaminação então provavelmente o que estamos vendo aqui é contaminação por carbono O que você busca ao focar dessa maneira busco tornar essa borda nítida vejo átomos o quê assim mesmo isso é demais pouco depois do grupo ter corrigido com sucesso as aberrações no microscópio eletrônico de transmissão Andre konic alcançou independentemente o mesmo para a versão do microscópio de Crew o Mat de varredura e em 2020 todos os os quatro foram premiados com o prestigioso prêmio kavli em nanociência por conseguirem o que muitos outros achavam impossível através de sua persistência e engenhosidade ver átomos assim é normal [Música] agora qual é a diferença que a correção de aberrações faz se você quer ver átomos e se você quiser por exemplo medir distâncias interatômicas e se você quer aprender Que tipo de átomos você tem você precisa de correção de aberrações qualquer pesquisa que seja ciência dos materiais engenharia de materiais engenharia química você precisa ver o que está acontecendo ao nível atômico porque você quer relacionar as propriedades à estrutura sem a visão da estrutura atômica você tem apenas metade da informação isso foi um Marco por isso atualmente toda a universidade necessita de um microscópio