New Approach of Using Cryo-Soft X-ray Tomography for beam-sensitive materials

Partículas minúsculas feitas de ferro estão transformando a forma como pensamos sobre a medicina, a energia limpa e a limpeza ambiental. Essas estruturas microscópicas, muitas vezes menores que uma única célula, podem atuar como catalisadores poderosos para acelerar reações químicas ou servir como transportadores direcionados para medicamentos dentro do corpo humano. Para entender como elas funcionam, os cientistas precisam examiná-las de perto, mas há um problema. Muitos desses materiais úteis são frágeis. Quando os pesquisadores tentam examiná-los com os feixes de elétrons de alta potência usados em microscópios padrão, a energia intensa pode queimar, derreter ou alterar quimicamente as próprias estruturas que eles estão tentando estudar. É como tentar fotografar um floco de neve com um maçarico; a imagem que você obtém não é do floco de neve, mas do dano que a luz causou. Essa limitação tem dificultado há muito tempo o ato de ver a verdadeira forma, o tamanho e o arranjo desses materiais sensíveis em seu estado natural.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Warwick e da Universidade de Cambridge encontrou uma maneira de contornar esse problema usando um tipo diferente de luz. Em vez de disparar elétrons contra a amostra, eles usaram raios X moles, uma forma de luz que é muito mais suave com a matéria delicada. Ao congelar as amostras a temperaturas extremamente baixas e, em seguida, escaneá-las com esses raios X, eles conseguiram criar mapas tridimensionais detalhados de nanopartículas de ferro sem destruí-las. Essa abordagem, conhecida como tomografia de raios X moles criogênica, permitiu que eles vissem as partículas como elas realmente existem, revelando seu tamanho, como elas se agrupam e até as finas camadas de moléculas que revestem suas superfícies.

Os pesquisadores focaram em dois tipos específicos de partículas de ferro. O primeiro era o ferro puro, que é altamente reativo e propenso a enferrujar instantaneamente quando exposto ao ar. O segundo era um óxido de ferro magnético, um material frequentemente usado em imagens médicas e tratamento de água. Para estudar esses materiais, a equipe primeiro teve que fabricá-los. Eles desenvolveram um novo método rápido para criar o óxido de ferro magnético misturando produtos químicos em água e aquecendo-os a apenas 80 graus Celsius, um processo que levou apenas alguns momentos. Para o ferro puro, eles usaram um reator de micro-ondas para sintetizar as partículas em apenas 30 segundos. Essa velocidade foi crucial, pois impediu que os materiais mudassem ou se degradassem antes de serem estudados.

Uma vez criadas as partículas, a equipe enfrentou o desafio de observá-las sem causar danos. Eles compararam seu novo método de raios X com técnicas tradicionais, como a microscopia eletrônica de varredura, que utiliza um feixe de elétrons. Nas imagens tradicionais, as partículas de ferro puro pareciam borradas e distorcidas, com suas superfícies obscurecidas pelo carregamento elétrico e pelo colapso estrutural causado pelo feixe de elétrons. As partículas de óxido de ferro magnético também sofreram problemas semelhantes, tornando difícil ver sua verdadeira forma. No entanto, quando a equipe mudou para a tomografia de raios X moles criogênica, os resultados foram surpreendentemente diferentes. As imagens eram nítidas e claras, mostrando as partículas em alta definição sem quaisquer sinais do dano visto nos outros métodos.

A nova técnica fez mais do que apenas fornecer uma imagem mais clara; ela revelou detalhes que antes estavam ocultos. Ao escanear as amostras em níveis de energia específicos, os pesquisadores puderam distinguir entre o núcleo de ferro das partículas e as moléculas orgânicas que revestem suas superfícies. Eles descobriram que as partículas de ferro puro eram envolvidas por uma fina camada de uma substância chamada dodecilamina, que atua como um escudo protetor, mantendo o metal longe de reagir com o oxigênio. Esse revestimento era invisível nas imagens do microscópio eletrônico, mas se destacava claramente nos exames de raios X. Além disso, a equipe foi capaz de construir modelos tridimensionais das partículas, permitindo medir não apenas a largura de uma partícula, mas também sua altura e como ela se posiciona em relação às suas vizinhas.

O estudo mostrou que as partículas de ferro puro estavam majoritariamente agrupadas em grupos menores que 200 nanômetros, enquanto as partículas de óxido de ferro magnético eram ainda menores, formando uma população uniforme de cerca de 20 nanômetros de tamanho. As reconstruções tridimensionais revelaram que essas partículas não estavam apenas espalhadas aleatoriamente; elas formavam redes complexas e interconectadas com espessuras e formas variadas. Esse nível de detalhe é vital porque a maneira como essas partículas se agrupam afeta diretamente como elas desempenham suas funções em aplicações do mundo real, como filtrar poluentes da água ou entregar medicamentos a um tumor.

Talvez a descoberta mais significativa tenha sido a capacidade de visualizar uma pequena cavidade, ou espaço oco, na superfície de um dos cristais de ferro. Essa característica, estimada em cerca de 2,7 micrômetros de comprimento e 2 micrômetros de largura, foi identificada através da reconstrução 3D. Tal detalhe provavelmente seria perdido ou interpretado erroneamente em uma imagem bidimensional, onde a profundidade do objeto é perdida. Os pesquisadores também confirmaram que seu método poderia ser usado para analisar esses materiais sem a necessidade de revestimentos condutores, que são frequentemente exigidos na microscopia eletrônica para evitar o carregamento, mas que podem obscurecer a verdadeira superfície da amostra.

Este trabalho demonstra que, ao combinar temperaturas de congelamento com imagens de raios X moles, os cientistas podem finalmente observar materiais sensíveis ao feixe de uma forma que preserva sua integridade. O método oferece uma janela não destrutiva para o mundo nanoescala, revelando a verdadeira arquitetura de materiais que há muito tempo são frágeis demais para serem estudados com precisão. À medida que esta técnica continua a se desenvolver, ela promete abrir novas portas para a compreensão do comportamento de nanopartículas à base de ferro e outros materiais delicados, fornecendo uma base mais clara para futuras inovações na ciência e na tecnologia.