Talento

Um assistente de imagens ultra-nítidas
Para supervisionar seus novos sistemas de microscopia eletrônica de ponta, o MIT procurou a experiência aperfeiçoada na indústria de Frances Ross.
Por David L. Chandler - 12/07/2020


"Espero que o MIT se torne um centro de microscopia eletrônica", diz a professora Frances Ross. "Não há nada que exista com os recursos que estamos buscando aqui." Foto: Jared Charney

Embora Frances Ross e sua irmã Caroline Ross tenham ingressado na faculdade do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, eles chegaram lá por caminhos bastante diferentes. Enquanto Caroline seguiu uma rota acadêmica mais tradicional e passou a maior parte de sua carreira no MIT, Frances Ross passou a maior parte de sua vida profissional trabalhando no setor industrial, como especialista em microscopia na IBM. Não foi até 2018 que ela chegou ao MIT para supervisionar os novos sistemas de microscópio eletrônico de última geração que estão sendo instalados na nova instalação do MIT.nano.

Frances, que tem uma forte semelhança familiar com a irmã, diz: "está confuso algumas pessoas, se elas não sabem que somos dois".

As irmãs cresceram em Londres em uma família fortemente orientada para a ciência e os materiais. Seu pai, que trabalhou primeiro como cientista e depois como advogado, está atualmente trabalhando em seu terceiro doutorado, em clássicos. Sua mãe, uma gemologista, é especialista em combinar diamantes com precisão e supervisiona os testes de certificação para a profissão.

Depois de obter seu doutorado na Universidade de Cambridge em ciência dos materiais, especializada em microscopia eletrônica, Frances Ross fez um pós-doutorado no Bell Labs em Nova Jersey e depois no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Universidade da Califórnia em Berkeley. De lá, ela continuou seu trabalho em microscopia eletrônica na IBM em Yorktown Heights, Nova York, onde passou 20 anos trabalhando no desenvolvimento e aplicação da tecnologia de microscópio eletrônico para estudar o crescimento de cristais.

Quando o MIT construiu seu novo centro de fabricação e análise de nanotecnologia de ponta, o MIT.nano, ficou claro que a tecnologia de microscópio de ponta deveria ser uma característica essencial do novo centro. Foi quando Ross foi contratado como professor, juntamente com o professor Jim LeBeau e o cientista de pesquisa Rami Dana, que tinham formação acadêmica e industrial, para supervisionar a criação, o desenvolvimento e a aplicação desses microscópios no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais ( DMSE) e a comunidade mais ampla do MIT.

"Atualmente, nossos alunos precisam ir a outros lugares para fazer microscopia de alto desempenho, para que possam ir para Harvard, ou um dos laboratórios nacionais", diz Ross, que é a professora de Ciência e Engenharia de Materiais Ellen Swallow Richards. “Muitos avanços na instrumentação se uniram nos últimos anos, de modo que, se o seu equipamento for um pouco mais antigo, será realmente uma grande desvantagem na microcópia eletrônica. Essa é uma área em que o MIT não investe há pouco tempo e, portanto, depois de tomarem essa decisão, o salto será muito significativo. Nós vamos ter uma capacidade de geração de imagens de ponta. ”

Haverá dois principais sistemas de microscópio eletrônico para a ciência dos materiais, que estão gradualmente tomando forma dentro do nível do porão isolado por vibração do MIT.nano, ao lado de outros dois já instalados, especializados em imagens biomédicas.

Uma delas será uma versão avançada de um microscópio eletrônico padrão, ela diz, que terá uma combinação única de recursos. "Não há nada que exista com os recursos que estamos buscando aqui."

A mais importante delas, diz ela, é a qualidade do vácuo dentro do microscópio: "Na maioria das nossas experiências, queremos começar com uma superfície que seja limpa atomicamente". Por exemplo, “poderíamos começar com silício limpo atomicamente e adicionar um pouco de germânio. Como os átomos de germânio são adicionados à superfície do silício? Essa é uma pergunta muito importante para a microeletrônica. Mas se a amostra estiver em um ambiente que não seja bem controlado, os resultados obtidos dependerão da sujeira do vácuo. A contaminação pode afetar o processo, e você não pode ter certeza de que o que está vendo é o que acontece na vida real. ” Ross está trabalhando com os fabricantes para alcançar níveis excepcionais de limpeza no vácuo do sistema de microscópio eletrônico sendo desenvolvido agora.

Mas o vácuo de altíssima qualidade é apenas um de seus atributos. “Combinamos o bom vácuo com recursos para aquecer a amostra, escoar gases e gravar imagens em alta velocidade”, diz Ross. “Talvez o mais importante seja para muitas de nossas experiências, usamos elétrons de menor energia para fazer a imagem, porque para muitos materiais interessantes, como materiais 2D, como grafeno, nitreto de boro e estruturas relacionadas, os elétrons de alta energia que são normalmente usado danificará a amostra. ”

Juntar tudo isso, ela diz, "é um instrumento único que nos dará informações reais sobre reações de superfície, processos de crescimento de cristais, transformações de materiais, catálise, todos os tipos de reações que envolvem a formação de nanoestruturas e a química nas superfícies de materiais 2D".

Outros instrumentos e recursos também estão sendo adicionados ao portfólio de microscopia do MIT. Um novo microscópio eletrônico de transmissão de varredura já está instalado no MIT.nano e está fornecendo análises químicas e estruturais de alta resolução de amostras para vários projetos no MIT. Outra nova capacidade é um suporte de amostra especial que permite aos pesquisadores fazer filmes de processos de desdobramento em água ou outros líquidos no microscópio. Isso permite o monitoramento detalhado, de até 100 quadros por segundo, de uma variedade de fenômenos, como crescimento em fase de solução, reações químicas desdobráveis ​​ou processos eletroquímicos, como carregar e descarregar baterias. Fazer filmes de processos que ocorrem na água, diz ela, "é algo novo para a microscopia eletrônica".

Ross já montou um microscópio eletrônico de vácuo ultra-alto no DMSE, mas sem a operação de resolução e baixa voltagem do novo instrumento. E, finalmente, um microscópio de tunelamento a ultra-alto vácuo começou a produzir imagens e medirá o fluxo de corrente através de materiais em nanoescala.

Em seu tempo livre, Ross e seu marido Brian gostam de velejar, principalmente na costa do Maine, com seus dois filhos, Kathryn e Eric. Como hobby, ela coleta amostras de areia da praia. "Eu tenho mil tipos diferentes de areia de vários lugares, e muitos deles de Massachusetts", diz ela. "Onde quer que eu vá, essa é minha lembrança."

Mas, com seu intenso foco no desenvolvimento desta nova instalação de microscopia de classe mundial, há pouco tempo para qualquer outra coisa hoje em dia. Seu objetivo é garantir que seja a melhor instalação possível.

"Espero que o MIT se torne um centro de microscopia eletrônica", diz ela. “Você sabe, com toda a ciência e física interessante de materiais que se passa aqui, combina muito bem com essa instrumentação exclusiva, essa combinação de alta qualidade de imagem e análise. Esses recursos exclusivos de caracterização realmente complementam o restante da ciência que acontece aqui. ”

 

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