Interviews with plenary speakers of the XV Brazil-MRS Meeting: Paul S. Weiss (UCLA, USA).

paul-weissTaking precise measurements of atoms and molecules. Accurately control molecules so that they form specific nanostructures or work together to achieve desired results. The nanoscientist Paul Weiss will address this and much more at the XV Brazil-MRS Meeting. Weiss is Professor at the University of California, Los Angeles (UCLA) and editor-in-chief of ACS Nano journal. At the annual SBPMat event, in addition to delivering the plenary lecture, Weiss will also participate in a roundtable to discuss scientific publication along with the public and editors of other journals.

Paul Weiss received his S.B and S.M degrees in Chemistry from the Massachusetts Institute of Technology in 1980, after conducting research in high-resolution laser spectroscopy. His doctoral research, also in Chemistry at the University of California at Berkeley, was about excited atom reactions in crossed molecular beams.

In 1986, the year he concluded his PhD, his advisor, Yuan T. Lee, was awarded the Nobel Prize in Chemistry for his contribution to the study of the dynamics of chemical elementary processes. Soon after his doctorate, Weiss began working at Bell Laboratories as a post-doc studying the effects of surface chemistry and gas-surface collisions on semiconductor surface electronic properties. In 1988, he worked at IBM Almaden Research Center, where he remained as a visiting scientist until the following year. There his work was on scanning tunneling microscopy (STM) with one of the STM pioneers, Donald Eigler. STM, which lead to a major breakthrough in nanotechnology by enabling the manipulation of individual atoms and molecules, would become one of Weiss’s favorite techniques.

In 1989, Weiss joined the faculty of Pennsylvania State University (PennState), where he continued his work with STM, expanding the technique and studying atoms and molecules. From 2001 to 2002 he was the director of the Center for Molecular Nanofabrication and Devices of PennState. In 2005 he was designated Distinguished Professor of Chemistry and Physics departments at the university.

It was also at PennState that Weiss met the scientist Anne Andrews, with whom he is married to this day. Andrews was responsible for convincing Weiss to apply his expertise and knowledge on nanoscience in the study of the human brain. In this field, and in collaboration with Andrews and other scientists, Weiss has been committed to developing tools to study the interactions between neurons, which take place through electrical and chemical signals in nanometric spaces.

Concomitantly, Paul Weiss participated in the creation of the scientific journal ACS Nano (2015 impact factor of 13,334) and has been editor in chief since the journal’s first edition, published in August 2007. In 2008, the journal received a major distinction, the PROSE Award for Best New Journal in Science, Technology, and Medicine from the Association of American Publishers.

In 2009, he joined the University of California, Los Angeles (UCLA), where he was named Distinguished Professor of Chemistry & Biochemistry. Furthermore, he received, until 2014, the Fred Kavli Chair in Nanosystems Sciences and the directorship of the California NanoSystems Institute, a multidisciplinary institute of research and innovation in nanoscience and nanotechnology. Weiss has also been leading at UCLA a research group that gathers together chemists, physicists, biologists, materials scientists, electrical and mechanical engineers and computer scientists.

Paul Weiss was a visiting professor at the University of Washington (1996 – 1997) and at Kyoto University (1998 and 2000). In 2015, he was Distinguished Visiting Professor at the California Institute of Technology, and Visiting Scholar at Harvard University.

Paul Weiss has published over 300 papers and has approximately 20 patents. According to Google Scholar he has an h-index of 60 and more than 16,000 citations. He has given over 600 invited, plenary, keynote, and named lectures. Weiss has received many awards and distinctions for his research, teaching and scientific publishing. He is an elected senior fellow of IEEE, an elected fellow of the American Chemical Society, the American Physical Society, the American Association for the Advancement of Science, and the American Vacuum Society, and an honorary fellow of the Chinese Chemical Society.

He is currently Distinguished Professor in the Department of Chemistry & Biochemistry and the Department of Materials Science & Engineering at UCLA. He is also Visiting Professor at Nanyang Technological University and continues to work as editor in chief of ACS Nano. Paul S. Weiss also holds a UC Presidential Chair at UCLA.

Here is a brief interview with this speaker of the XV Brazil-MRS Meeting:

SBPMat newsletter: – In your opinion, what are your main contributions on the themes of your plenary lecture? Could you also share with us a couple of references pertaining to publications on these subjects?

Paul Weiss: – In our work, we explore the ultimate limits of miniaturization. We have assembled and operated the smallest switches and motors in the world. To do that, we have put together two sets of capabilities. First, we designed and applied new microscopes and microscopies that can simultaneously measure structure, function, and spectra, with submolecular resolution. In the other, we have developed the ability to place individual molecules into precisely controlled environments. We combine these to understand functional mechanisms and to design new molecules and assemblies to test our ideas.

Try these papers:

Controlling Motion at the Nanoscale: Rise of the Molecular Machines, J. M. Abendroth, O. S. Bushuyev, P. S. Weiss, and C. J. BarrettACS Nano 9, 7746 (2015). (Abstract or Article or PDF)

Molecular Switches and Motors on Surfaces, B. K. Pathem, S. A. Claridge, Y. B. Zheng, and P. S. Weiss, Annual Review of Physical Chemistry 64, 605 (2013). (Abstract or PDF)

From the Bottom Up: Dimensional Control and Characterization in Molecular Monolayers, S. A. Claridge, W.-S. Liao, J. C. Thomas, Y. Zhao, H. Cao, S. Cheunkar, A. C. Serino, A. M. Andrews, and P. S. Weiss, Chemical Society Reviews 42, 2725 (2013). (Abstract or Article or PDF)

SBPMat newsletter: –  You are part of the team that created ACS Nano, launched in 2007, right? Could you tell us which elements you attribute to the success of the journal, reflected in its impact factor and the awards received

Paul Weiss: – Yes, I was the founding editor-in-chief and continue in that role.

We decided to create a forward-looking journal in which we would lay out the challenges and opportunities for the field, in order to guide and to accelerate advances. We felt that while there are many journals that published communications in nanoscience and nanotechnology, there was not a strong journal that published comprehensive work, on which others could build. This situation, we decided, was holding back our field. We set out to find the most diverse set of curious editors from different fields and we set the journal up to be extremely fast and fair to all authors. Only scientists make decisions and it takes at least two scientists to make decisions to decline manuscripts. Our editors have conversations every day on where the field is going and what are true advances. We have made it intellectually stimulating for ourselves and we believe also for our readers. The result is that we can see the real impact on the worlds of science, engineering, medicine, and beyond. We published the technology roadmaps proposing the BRAIN Initiative in the US and beyond and the new Microbiome Initiative. Stay tuned for more!

Nanotools for Neuroscience and Brain Activity Mapping, A. P. Alivisatos, A. M. Andrews, E. S. Boyden, M. Chun, G. M. Church, K. Deisseroth, J. P. Donoghue, S. E. Fraser, J. Lippincott-Schwartz, L. L. Looger, S. Masmanidis, P. L. McEuen, A. V. Nurmikko, H. Park, D. S. Peterka, C. Reid, M. L. Roukes, A. Scherer, T. J. Sejnowski, K. L. Shepard, D. Tsao, G. Turrigiano, P. S. Weiss, C. Xu, R. Yuste, and X. Zhuang, ACS Nano 7, 1850 (2013). (Abstract or Article or PDF)

Tools for the Microbiome: Nano and Beyond, J. S. Biteen, P. C. Blainey, M. Chun, G. M. Church, P. C. Dorrestein, S. E. Fraser, J. A. Gilbert, J. K. Jansson, R. Knight, J. F. Miller, A. Ozcan, K. A. Prather, E. G. Ruby, P. A. Silver, S. Taha, G. van den Engh, P. S. Weiss, G. C. L. Wong, A. T. Wright, and T. D. Young, ACS Nano 10, 6 (2016). (Abstract or Article orPDF)

SBPMat newsletter: –  Please leave an invitation to our readers to attend your plenary lecture “Cooperative Function in Atomically Precise Nanoscale Assemblies” in the XV Brazil-MRS Meeting.

Paul Weiss: – I hope you will join me at the XV Brazil-MRS Meeting for a discussion of how we can explore and understand function at the nanoscale and what it teaches us about the world around us.

Link to the abstract of the XV B-MRS Meeting plenary talk “Cooperative Function in Atomically Precise Nanoscale Assemblies”:

Entrevistas com palestrantes de plenárias do XIV Encontro: Ulrike Diebold.

Os óxidos metálicos apresentam um amplo leque de propriedades. Em consequência, tornam-se úteis em aplicações muito diversas, como monitoramento de gases, catálise, proteção contra a corrosão, pigmentação, conversão de energia e muitas outras. Detalhe importante: para compreender e utilizar esses materiais, o estudo de suas superficies é fundamental.

Prof. Ulrike Diebold.

As superfícies de óxidos metálicos serão tema de uma palestra plenária no XIV Encontro da SBPMat, a cargo de Ulrike Diebold, cientista que está entre os principais especialistas do mundo nesse assunto. Diebold se dedica à ciência de superfícies desde a época de seu doutorado, defendido em 1990 pela Universidade de Tecnologia de Viena (UT Wien), na Austria. Alguns anos depois, fazendo pós-doutorado num grupo de superfícies da Universidade Rutgers, em New Jersey (EUA), ela começou suas pesquisas sobre dióxido de titânio.

Em 1993 tornou-se professora da Universidade Tulane, na cidade de New Orleans (EUA), e fundou e coordenou um grupo de ciência de superficies. Ao ter seus laboratórios atingidos pelo furacão Katrina em 2005, Diebold foi acolhida por diversas instituições e se instalou em Rutgers junto a alguns membros de seu grupo de Tulane. Finalmente, voltou ao local onde começara sua carreira científica, a UT Wien, desta vez como professora e coordenadora do grupo de Física de superfícies. Com seus grupos de pesquisa, Diebold tem continuado avançando nos estudos de ciência básica e aplicada sobre óxidos metálicos, apoiando-se, entre outras técnicas, na microscopia de varredura por tunelamento (STM), por meio da qual a cientista consegue investigar esses materiais na escala atómica.

Ulrike Diebold é autora de 180 artigos publicados em periódicos com revisão por pares. Seus artigos contam com mais de 12 mil citações. Seu índice H, conforme a Web of Science, é de 52. A cientista já proferiu cerca de 250 palestras convidadas. Ao longo de sua carreira, recebeu numerosos prêmios e distinções de diversas entidades, como Alexander von Humboldt Foundation, American Chemical Society, Austrian Academy of Sciences, Austrian Ministry for Science, Catalysis Society of South Africa, Czech Republic Academy of Sciences, European Academy of Sciences, German National Academy of Sciences Leopoldina, National Science Foundation, entre outras. É editora associada da divisão de Física de materiais do periódico Physical Review Letters.

Segue uma minientrevista com esta plenarista do XIV Encontro da SBPMat.

Imagem de STM de átomos individuais de Au em superfície de Fe3O4. Esse sistema é usado como modelo para estudar reações simples de catálise em escala atómica. O experimento relacionado é descrito em: Novotný, Z. et al. Ordered Array of Single Adatoms with Remarkable Thermal Stability: Au/Fe_{3}O_{4}(001). Phys Rev Lett 108, (2012).

Boletim da SBPMat: – Quais são, na sua opinião, suas contribuições mais significativas ou de maior impacto social na ciência de superfícies de óxidos metálicos? Explique-as muito brevemente e compartilhe as referências dos artigos ou livros gerados, ou comente se esses estudos geraram patentes ou produtos. 

Ulrike Diebold: – O campo começou com o livro “The Surface Science of Metal Oxides” de Vic Henrich e P.A. Cox, que foi publicado em 1993 pela Cambridge University Press. O livro motivou muitas pessoas a desenvolverem um interesse em superfícies de óxido metálico e as pesquisas progrediram demasiadamente desde então.  Algumas ainda são válidas até hoje, por exemplo, a importância dos defeitos para entender as propriedades das superfícies de óxidos, e como é essencial dominar a preparação da superfície. Pesquisas significativas podem apenas ser realizadas em sistemas “bem caracterizados” com uma estrutura de superfície conhecida e controlada.  Há aproximadamente dez anos, em 2003, escrevi uma revisão que focou apenas no dióxido de titânio, que é um material muito utilizado tanto em aplicações quanto em pesquisa fundamental (Surface Science Reports 48 (2003) 53).  Esta revisão recebeu bastante atenção. Uma década depois, uma edição completa da Chemical Reviews (vol. 113, 2013) focou em superfícies de óxidos metálicos, e resumiu bem o estado da arte da pesquisa de superfícies de óxidos metálicos.

Boletim da SBPMat: – Comente as possibilidades que a microscopia por tunelamento oferece ao estudo das superficies, em particular, de óxidos metálicos.

Ulrike Diebold: – O microscópio de varredura por tunelamento (scanning tunneling microscopy – STM), que foi inventado por Heinrich Rohrer e Gerd Binnig no início da década de 1980, revolucionou a nossa compreensão do mundo nano. Pode-se usar esta técnica para geração de imagens da estrutura geométrica e eletrônica de uma superfície a escala local, átomo por átomo. Isto é particularmente importante para óxidos, onde muitas vezes as irregularidades na rede são as entidades mais interessantes, por exemplo, defeitos tais como átomos ausentes, intersticiais, ou impurezas. O STM é a ferramenta ideal para investigar esses defeitos no nível atômico e literalmente “assistir” às reações químicas mediadas por defeitos.

Imagem de STM de defeitos em superfície de TiO2. O experimento relacionado está descrito em: Dulub, O. et al. Electron-induced oxygen desorption from the TiO2(011)-2×1 surface leads to self-organized vacancies. Science 317, 1052–1056 (2007).

Boletim da SBPMat: – Se desejar, deixe uma mensagem ou convite para sua palestra para os leitores que participarão do XIV Encontro da SBPMat.

Ulrike Diebold: – Eu acho que é simplesmente emocionante observar fenômenos tais como defeitos desaparecendo de uma superfície e depois voltando, ou moléculas individuais se dissociando ou difundindo através de uma superfície.  Se você quiser ver belas imagens e filmes de processos potencialmente relevantes para sua própria pesquisa, por favor, venha para minha palestra.

Saiba mais:

Artigo em destaque: Medidas de luminescência para identificar defeitos de filmes finos de óxido de zinco.

O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Fernando Stavale, Niklas Nilius, and Hans-Joachim Freund. STM Luminescence Spectroscopy of Intrinsic Defects in ZnO(0001̅) Thin Films. J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4 (22), pp 3972–3976. DOI: 10.1021/jz401823c.

Texto de divulgação: Medidas de luminescência para identificar defeitos de filmes finos de óxido de zinco.

O óxido de zinco (ZnO) é um material muito presente na vida cotidiana. Pode ser encontrado em parafusos, em protetores solares,em catalisadores para a síntese de metanol e em dispositivos optoeletrônicos sofisticados, como telas flexíveis para computadores, citando apenas alguns exemplos. Entretanto, para viabilizar algumas aplicações promissoras, como transistores e novos dispositivos, é importante controlar as propriedades elétricas desse semicondutor, as quais estão relacionadas com defeitos pontuais na sua estrutura atômica.

Nesse contexto, três cientistas ligados a instituições da Alemanha e do Brasil realizaram uma identificação dos defeitos pontuais de filmes de óxido de zinco por meio de uma abordagem original, aproveitando a capacidade luminescente (emissão de luz não provocada pelo aquecimento do material) do óxido de zinco. Os pesquisadores prepararam filmes finos de óxido de zinco com diferentes tipos e quantidades de defeitos pontuais. Sistematicamente, os cientistas foram medindo a luminescência de cada um dos filmes e, dessa maneira, conseguiram relacionar picos nas medidas de emissão com diversos tipos de defeitos na rede cristalina. Os resultados do trabalho foram publicados no periódico The Journal of Physical Chemistry Letters (JPCL).

“Neste estudo, crescemos filmes ultrafinos de óxido de zinco de alta qualidade e alteramos a quantidade de defeitos pontuais utilizando desorção térmica, foto-desorção induzida por laser e redução por tratamentos em atmosfera controlada de hidrogênio”, detalha Fernando Stavale, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)que assina o artigo como primeiro autor.

A técnica de caracterização

Para realizar os experimentos, os cientistas utilizaram um microscópio de varredura por tunelamento (STM, na sigla em inglês) em ultra-vácuo com algumas particularidades destinadas à gerar a luminescência, coletar os fótons emitidos e obter as medidas (os espectros) de luminescência. Com essa configuração, o STM é chamado de fóton-microscópio de tunelamento. De acordo com Stavale, um dos grandes expoentes no desenvolvimento e aplicação dessa técnica é o professor Niklas Nilius, autor para correspondência do artigo do JPCL com quem Stavale trabalhou diretamente durante três anos em seu pós-doutorado no Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max-Planck, em Berlim, mais precisamente no departamento de Física Química liderado pelo professor Hans-Joachim Freund, último autor do artigo do JPCL. “O fóton-microscópio de tunelamento tem sido empregado de forma pioneira na caracterização de óxidos metálicos no departamento dirigido pelo professor Freund”, comenta Stavale. “A técnica ainda é pouco utilizada no Brasil e é parte fundamental dos projetos que desenvolvo atualmente no meu grupo de pesquisa no CBPF, localizado no Rio de Janeiro”, finaliza.

Uma característica fundamental do fóton-microscópio de tunelamento é a utilização dos elétrons emitidos pela ponta do STM para excitar as amostras e, no caso do óxido de zinco, gerar a luminescência desejada. Esse fenômeno de emissão de luz gerada pelo impacto de elétrons sobre o material é chamado de catôdo-luminescência.

Esquema do experimento, no qual pode ser observada, na foto, a ponta do microscópio de tunelamento excitando o filme de óxido de zinco. O gráfico inserido mostra um espectro de câtodo-luminescência do óxido. Ao fundo, a imagem de microscopia de tunelamento de um filme de óxido de zinco com espessura de 20 camadas (~5 nm), mostra degraus monoatômicos e defeitos pontuais contidos na superfície do filme. As vacâncias de oxigênio e zinco, defeitos pontuais, correspondem às áreas indicadas pelas setas. As áreas escuras com forma hexagonal correspondem a regiões onde o filme é descontínuo com profundidade de até 8 camadas atômicas.

Esse trabalho sistemático permitiu aos cientistas afirmar que alguns picos dos espectros de luminescência do óxido de zinco são devidos a defeitos como vacâncias de oxigênio e de zinco (pontos da rede cristalina nos quais, no lugar dos átomos de oxigênio ou zinco que seriam esperados, existem “vagas”). “Esses defeitos pontuais estão relacionados às propriedades elétricas geralmente observadas no óxido de zinco, como dopagem do tipo-n”, acrescenta Stavale.

O contexto do trabalho

Os experimentos do artigo no JPCL foram concebidos e realizados pelo brasileiro Fernando Stavale em 2012 durante seu último ano de pós-doutorado no grupo do professor Nilius, no no Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max-Planck. Stavale chegou a esse grupo em 2010 com uma bolsa da Fundação Humboldt, da Alemanha. “Em um período de três anos investigamos pela primeira vez o papel de diversos dopantes, como cromo, európio e lítio em óxidos de magnésio e zinco, combinando filmes ultrafinos crescidos em ultra-alto vácuo com microscopia de tunelamento e catôdo-luminescência local”, conta Stavale sobre seus estudos do pós-doutorado.

A interpretação dos resultados e a redação do artigo do JPCL foram realizados em 2013, quando Fernando Stavale já havia assumido seu cargo de pesquisador no CBPF e Niklas Nilius, sua posição de professor na Universidade de Oldenburgo, na Alemanha.