Novo tipo de microscópio usa nêutrons

Pesquisadores do MIT, em conjunto com seus parceiros da NASA, desenvolveram um novo conceito para um microscópio que usará nêutrons — partículas subatômicas sem carga elétrica — em lugar de feixes de luz ou de elétrons, para criar imagens de alta resolução.

Entre outras características,  os instrumentos com base em nêutrons têm a capacidade de sondar o interior de objetos metálicos — tais como células combustíveis, baterias e motores, mesmo com estes em funcionamento — para aprender detalhes de sua estrutura interna. Os instrumentos de nêutrons também são peculiarmente sensíveis às propriedades magnéticas e aos elementos mais leves que são importantes em materiais biológicos.

O novo conceito foi delineado em uma série de artigos de pesquisas, neste ano, inclusive um publicado nesta semana em Nature Communications  por Dazhi Liu, pesquisador pós-doutorado do MIT, Boris Khaykovich, cientista pesquisador, professor David Moncton e quatro outros.

Moncton, um professor adjunto de física de diretor do Laboratório do Reator Nuclear do MIT, diz que foi Khaykovich quem propôs em primeiro lugar a ideia de adaptar um conceito já com 60 anos de focalizar raios-X com o uso de espelhos, para o desafio de construir um microscópio de nêutrons de alto desempenho. Até agora, a maioria dos instrumentos de nêutrons eram semelhantes a uma câmera pinhole: sistemas grosseiros de imageamento que apenas deixavam a luz passar através de um pequeno orifício. Sem eficientes componentes ópticos, tais dispositivos produziam imagens fracas com pouca resolução.

Além do pinhole

“Para os nêutrons, não havia dispositivos de focalização de alta qualidade”, prossegue Moncton. “Essencialmente todos os instrumentos de nêutrons, desenvolvidos ao longo de meio século, eram efetivamente câmeras pinhole”. Com relação a este novo avanço, diz ele que “Estamos levando o campo de imageamento com nêutrons das câmeras pinhole para uma era de genuína óptica”.

“O novo dispositivo de espelhos funciona como a lente formadora de imagens de um microscópio óptico”, acrescenta Liu.

Uma vez que os nêutrons interagem minimamente com a matéria, é difícil focalizar feixes deles para criar um telescópio ou microscópio. No entanto, em 1952 Hans Wolter propôs um conceito básico para raios-X, que foi mais tarde desenvolvido, sob os auspícios da NASA, para telescópios tais como o Observatório Espacial Chandra de Raios-X (projetado e gerenciado pelos cientistas do MIT). Feixes de nêutrons interagem fracamente, de forma muito semelhantes aos raios-X, e podem ser focalizados por um sistema óptico similar.

É um fato bem conhecido que a luz pode ser refletida por superfícies normalmente não refletivas, contanto que incidam sobre tal superfície em um ângulo bem aberto; isto é o princípio físico básico por trás das miragens dos desertos. Usando o mesmo princípio, espelhos com certos revestimentos podem refletir nêutrons incidentes em ângulos abertos.

Um dispositivo menor e mais preciso

O instrumento atual emprega vários cilindros refletores, aninhados um no interior do outro, de forma a aumentar a área de superfície disponível para a reflexão. O dispositivo resultante pode melhorar o desempenho dos sistemas de imageamento por nêutrons existentes por um fator de cerca de 50, segundo os pesquisadores — o que permite imagens mais nítidas, instrumentos muito menores, ou ambas as coisas.

A equipe primeiro projetou e otimizou o conceito digitalmente, então fabricou um pequeno instrumento de teste como prova-de-conceito, e demonstrou seu desempenho, usando uma instalação de feixe de nêutrons no Laboratório do Reator Nuclear do MIT. Trabalhos posteriores que necessitavam de um espectro de energias de nêutrons diferente, foram realizados no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) e no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).

Um tal instrumento poderia ser usado para observar e caracterizar vários tipos de materiais e amostras biológicas; outros processos, não geradores de imagens, que exploram a dispersão de nêutrons, poderiam ser também beneficiados. Uma vez que os feixes de nêutrons têm energia relativamente baixa, eles são “uma sonda de dispersão muito mais sensível”, segundo Moncton, para fenômenos tais como “de que forma os átomos ou os momentos magnéticos se movem dentro de um material”.

Os pesquisadores planejam, a seguir, a construção de um sistema otimizado de microscopia a nêutrons em colaboração com o NIST, que já dispõe de uma grande instalação de pesquisas com feixes de nêutrons. Este novo instrumento deve custar uns poucos milhões de dólares.

Moncton sublinha o fato de que um recente avanço importante neste campo foi a construção de uma instalação de US$ 1,4 bilhões que provê um aumento de dez vezes no fluxo de nêutrons. “Dado o custo da produção dos feixes de nêutrons, é essencial equipá-los com o sistema óptico mais eficiente possível”.

Roger Pynn, um cientista de materiais da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz que “Eu esperava que isso levasse a algumas grandes novidades no imageamento por nêutrons… Isso apresenta o potencial para algumas aplicações realmente novas da dispersão de nêutrons — algo que não é visto há algum tempo”.

Além dos pesquisadores do MIT, a equipe inclui Mikhail Gubarev e Brian Ramsey do Centro Marshall de Voo Espacial da NASA, e Lee Robertson e Lowell Crow do ORNL. O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia do Governo dos EUA.