Juan Carlos González expuso la ponencia "Electron Tomography: Spatial Distribution of Nanoparticles" en "El martes del saber"

Durante la última semana del mes de abril contamos con la participación del Dr. Juan Carlos González quién actualmente forma parte de nuestro cuerpo docente, desempeñándose en el Laboratorio de Física de Materiales del nuevo campus ubicado en Barranco. En esta oportunidad nos compartió la ponencia "Electron Tomography: Spatial Distribution of Nanoparticles". Esta exposición consistió en las muestras y resultados obtenidos tras su participación en el proyecto de la Unión Europea "Distributed European Infraestructure of Advanced Electron Microscopy for Nanoscience", es decir la iniciativa europea que consistió en formar un red internacional de institutos y universidades los cuales disponían de microscopios electrónicos de alta resolución para facilitar el trabajo colaborativo en cuanto al estudio de nuevos materiales (nanopartículas), específicamente el estudio de su ubicación espacial, cantidad y número de ellas contenidas en una muestra. Mediante la obtención de imágenes 2D, que posteriormente serían procesadas por un algoritmo matemático para generar vistas en 3D.En el campo de la nanociencia y la nanotecnología actualmente se busca información detallada acerca de las nanopartículas como por ejemplo su posición, número de ellas y su forma (ya sea en intercaras o superficies). Dentro de las propiedades físicas más importantes de las partículas se encuentran:su tamaño, la forma, densidad, rigidez, área superficial, morfología, distribución espacial, entre otras. De las propiedades mencionadas esta exposición estuvo enfocada en la distribución espacial de las nanopartículas, que es información importante y relevante en muchas áreas de estudio de las ciencias, por ejemplo en la química, pues  se requiere saber dónde se encuentra distribuidas las nanopartículas sobre el soporte al realizar una catálisis ya que se podría direccionar la interacción con gases o con líquidos.Sobre la Dispersión de las partículasPara comprender la dispersión de las partículas podemos utilizar la definición de Erik Kissa  "Dispersion: characterization, testing and measurements", donde de modo práctico, se puede entender que las partículas distribuidas dentro de una fase continua (el soporte), constituyen la fase dispersa, mientras que la fase continua (el soporte) constituye el medio donde ocurre la dispersión de las partículasMicroscopía Electrónica de TransmisiónLa recolección de los datos se realizaba mediante el uso de un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, similar al mostrado en la imagen superior, ubicado en el Grupo de Microscopía de Alta Resolución de la Universidad de Cambridge (Reino Unido).El proceso se inicia aplicando una diferencia de potencial de 200 keV a la fuente de emisión de campo (Source FEG), la cual acelera los electrones para impactar sobre muestra ubicada en la columna del microscopio (Sample). El haz de electrones pasa a través de la muestra en grados incrementales de rotación alrededor del centro de la muestra objetivo. Además, los electrones al interaccionar con la muestra sufren colisiones elásticas e inelásticas, aquellos electrones que sufren colisiones inelásticas y logran atravesar la muestra, se desvían del eje central del microscopio (Campo Brillante) los cuales son colectados mediante un detector denominado HAADF (High-angle annular dark-field). Es posible observar indirectamente la imagen producida por los electrones de la muestra a través de una pantalla fluorescente (Fluorescent Screen). Es importante tener en cuenta que la muestra debe ser lo suficientemente delgada como para que los electrones puedan atravesarla, de lo contrario no se obtendrían las imágenes.(VER IMAGEN: Transmission Electron Microscopy)Tomografía ElectrónicaLa tomografía es el procesamiento de imágenes por secciones. Para conseguir la imagen por secciones de una muestra, primero debemos realizar un barrido con un haz de electrones focalizados en un punto, por medio de las lentes magnéticas, sobre toda la muestra para cada ángulo de rotación de la muestra. Ciertos electrones transmitidos son recogidos por el detector HAADF el cual genera una imagen 2D del objeto bajo estudio. Entonces tenemos, al final de la rotación, una colección de imágenes 2D que posteriormente servirán para reconstruir una imagen 3D de la muestra mediante la ayuda de un software con algoritmo matemático, como por ejemplo: Back Projection, una vez realizado este paso, obtendremos una 3D del espécimen bajo estudio y con la ayuda del software Amira nos permite,a través de falsos colores, discriminar entre la fase dispersa y la fase de dispersión, es decir entre las nanopartículas y el soporte que las contiene, obteniéndose así información no solo cualitativa sino también cuantitativa.(Imágenes 2)A manera de ejemplo se puede observar imágenes de nanopartículas de oro (Au) en 3D en base a la tomografía electrónica, donde se puede identificar claramente la cantidad de nanopartículas, su distribución espacial sobre el soporte y cuantificar su área, volumen y tamaño. En este caso se empleó dos especímenes, oxidado y reducido, con carga metálica nominal de 1.50% y al hacer los cálculos de la muestra oxidada y reducida los resultados se aproximaban mucho (1,00% y 1,35% respectivamente), lo que sugiere que el método es valido.(VER Imaging Segmentation)Adicionalmente esta técnica permite identificar la forma geométrica del soporte, así como los ángulos en las caras de este, además muestran como las nanopartículas se encuentran localizadas en las aristas del soporte ya que no se distribuyen en cualquier posición, como por ejemplo sobre las caras, además presentan determinada dirección de crecimiento preferencial que tiene que ver con relacione de textura con el soporte.(VER Imaging Segmentation2)Finalmente se muestra un contraste entre la imagen 2D, la imagen reconstruida en 3D y la distribución espacial de las nanopartículas (de izquierda a derecha respectivamente)(Imágenes 3)Los resultados de este proyecto fueron publicados en un artículo en la revista Angewandte Chemie International Edition (Factor de Impacto 11,336 ) en el año 2009, desde entonces ha sido citado 41 veces por otros, además de una mención en la revista Science sobre la técnica de Tomografía Electrónica descrita en el artículo.