Nanoscale imaging of chemical interactions: Fluorine on graphite

Using C60-functionalized scanning tunneling microscope tips, we have investigated the adsorption of fluorine on graphite. Based on characteristics of the accompanying electron standing waves, we are able to distinguish the fluorine adatoms that have bonded ionically to the graphite surface from those that have formed covalent bonds with the surface. This result permits determination of the ratio of ionic to covalent C–F bonds on graphite obtained by gas phase fluorination, which seems to be temperatureindependent between 200 and 300°C under the reaction conditions used.

Mapping the intrinsic curvature and flexibility along the DNA chain

The energy of DNA deformation plays a crucial and active role in its packaging and its function in the cell. Considerable effort has gone into developing methodologies capable of evaluating the local sequence-directed curvature and flexibility of a DNA chain. These studies thus far have focused on DNA constructs expressly tailored either with anomalous flexibility or curvature tracts. Here we demonstrate that these two structural properties can be mapped also along the chain of a “natural” DNA with any sequence on the basis of its scanning force microscope (SFM) images. To know the orientation of the sequence of the investigated DNA molecules in their SFM images, we prepared a palindromic dimer of the long DNA molecule under study. The palindromic symmetry also acted as an internal gauge of the statistical significance of the analysis carried out on the SFM images of the dimer molecules. It was found that although the curvature modulus is not efficient in separating static and dynamic contributions to the curvature of the population of molecules, the curvature taken with its direction (its sign in two dimensions) permits the direct separation of the intrinsic curvature from the flexibility contributions. The sequence-dependent flexibility seems to vary monotonically with the chain's intrinsic curvature; the chain rigidity was found to modulate as its local thermodynamic stability and does not correlate with the dinucleotide chain rigidities evaluation made from x-ray data by other authors.

Efeito do cobre como adição interfacial no sistema tribológico pino X disco.

O presente trabalho de mestrado teve como meta realizar um estudo do comportamento do cobre particulado em ensaios tribológicos do tipo pino contra disco. O cobre é atualmente utilizado em até 15% em massa das pastilhas de freios automotivos e tal utilização é responsável pela emissão de até 70% do cobre particulado presente no ar. Devido ao caráter carcinogênico do cobre, se faz necessária sua substituição. Foram realizados ensaios tribológicos pino disco com adição de diferentes meios interfaciais. Foram utilizados pares tribológicos aço/aço, em ensaios a seco de pino contra disco com adição de meio interfacial nanoparticulado de óxido de ferro, grafite e de cobre metálico em diferentes granulometrias (400 m, 20 m e 50 nm). Após os ensaios, amostras das superfícies de pinos e discos para cada uma das adições de cobre, bem como para a condição sem adição de meio interfacial, foram caracterizadas utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, de forma a entender o comportamento das partículas de cobre e sua contribuição para o coeficiente de atrito. As adições de cobre obtiveram os maiores coeficientes de atrito, e entre elas os coeficientes de atrito foram mais altos durante todos os ensaios para a adição de 50 nm, seguido de 20 m e 400 m. A análise das superfícies tribológicas em MEV mostrou heterogeneidade das superfícies ensaiadas em relação à presença de debris oxidados e camadas compactas. Observou-se a presença de cobre apenas nas superfícies ensaiadas com adição dos cobres de 50 nm e 20 m. A presença de um filme óxido compacto e contínuo foi observada apenas nas superfícies tribológicas ensaiadas sem adição de meio interfacial e com adição de cobre a 400 m.

Morfologia, taxonomia e análise cladística da tribo Kingsleyini (Crustacea: Decapoda: Pseudothelphusidae)

Kingsleyini corresponde a uma das cinco tribos de Pseudothelphusidae, grupo exclusivamente americano de caranguejos de água doce. Atualmente a tribo inclui 59 espécies agrupadas em 13 gêneros, com distribuição associada aos rios, riachos e igarapés das bacias do Amazonas e do Orinoco. Desde a criação de Kingsleyini o aumento de novos táxons atribuídos a esta tribo não tem sido acompanhado por estudos cladísticos. No presente trabalho é realizada a análise cladística de Kingsleyini, acompanhada de uma revisão morfológica e taxonômica do grupo. Com este propósito, foram estudados espécimes de 60 espécies representantes das cinco tribos e duas subfamílias inclusas em Pseudothelphusidae. O material estudado se encontra depositado nas coleções carcinológicas de seis instituições e inclui os tipos nominais de 29 espécies. Na revisão morfológica foram descritas e ilustradas estruturas somáticas e sexuais da morfologia externa do grupo de estudo. Os estudos morfológicos foram auxiliados por técnicas de Microscopia Electrônica de Varredura (MEV) e cortes histológicos. A partir destas observações foram propostas modificações na terminologia utilizada para denominar as estruturas do primeiro apêndice sexual masculino (primeiro gonópodo) em Kingsleyini. A parte taxonômica deste trabalho inclui chaves de identificação, mapas de distribuição, listas sinonímicas e a descrição e ilustração do primeiro apêndice sexual masculino para a grande maioria das espécies examinadas, assim como a diagnose dos gêneros considerados monofiléticos. A análise filogenética foi realizada a partir de 92 caracteres obtidos de 57 táxons terminais: 49 terminais do grupo interno (Kingsleyini) e oito do grupo-externo (representantes dos demais Pseudothelphusidae). Como resultado da análise cladística foram obtidas seis hipóteses filogenéticas igualmente parcimoniosas: todas elas apoiam o monofiletismo de Kingsleyini e a exclusão do gênero Spirocarcinus da tribo. O monofiletismo dos gêneros Fredius, Kingsleya, Eudaniela e Rodriguezus também encontra-se sustentado em todas as hipóteses filogenéticas obtidas, enquanto que os gêneros Microthelphusa, Neopseudothelphusa, Orthothelphusa e Brasiliothelphusa revelaram-se parafiléticos.

Caracterização tecnológica do minério de ouro da Mina Morro do Ouro - Paracatu, MG.

As unidades de beneficiamento de minério de ouro buscam cada vez mais uma produção de baixo custo e maximização dos ganhos financeiros. A caracterização tecnológica está inserida em uma abordagem multidisciplinar que permite agregar conhecimento, alternativas de otimização e redução nos custos de operação. Inserida como uma ferramenta na caracterização tecnológica, a análise de imagens automatizada tem importante papel no setor mineral principalmente pela rapidez das análises, robustez estatística e confiabilidade nos resultados. A técnica pode ser realizada por meio de imagens adquiridas em microscópio eletrônico de varredura, associada a microanálises químicas sendo utilizada em diversas etapas de um empreendimento mineiro. Este estudo tem como objetivo a caraterização tecnológica de minério de ouro da Mina Morro do Ouro, Minas Gerais na qual foi utilizado a técnica de análise de imagens automatizada por MLA em um conjunto de 88 amostras. Foi possível identificar que 90% do ouro está na fração acima de 0,020 mm; o quartzo e mica representam cerca de 80% da massa total do minério; os sulfetos apresentam diâmetro de círculo equivalente entre 80 e 100 ?m e são representados por pirita e arsenopirita, com pirrotita, calcopirita, esfalerita e galena subordinada. Também foi possível observar que o ouro está majoritariamente associado à pirita e arsenopirita e com o aumento de teor de arsênio, cresce a parcela de ouro associado à arsenopirita. As medianas das distribuições de tamanho dos grãos de ouro apresentam um valor médio de 19 ?m. Verificou-se que a composição dos grãos de ouro é bastante diversa, em média 77% de ouro e 23% de prata. Para material abaixo de 0,50 mm observa-se uma parcela expressiva de perímetro exposto dos grãos de ouro (média 73%); o ouro incluso (21% do total dos grãos de ouro) está associado a pirita e arsenopirita, sendo que em 14 das 88 amostras este valor pode superar 40% do total de ouro contido. A ferramenta da análise de imagens automatizada mostrou-se bastante eficiente definindo características particulares o que fornece de forma objetiva subsídios para os trabalhos de planejamento de mina e processamento mineral.

Caracterização tecnológica de minérios auríferos por análise automatizada de imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura.

O ouro, assim como outros bens minerais, é uma commodity, ou seja, um produto não diferenciado, com preço determinado pelo mercado internacional, sem a interferência de seus produtores. Diante desse cenário, associado à exaustão dos depósitos minerais de maiores teores, as mineradoras vêm buscando melhores formas de aproveitamento de matérias-primas minerais mais complexas quanto à extração e ao beneficiamento. Os retornos financeiros são obtidos no estrito controle da produção com redução de custos e mitigação de perdas nas operações unitárias. A caracterização tecnológica está inserida como uma abordagem multidisciplinar e fundamental para o melhor aproveitamento dos bens minerais. Possibilita um maior conhecimento do minério e das associações minerais presentes, que auxiliará no desenvolvimento das alternativas de explotação e na otimização do processo em funcionamento. Dentre os procedimentos de caracterização das associações minerais mais acurados citam-se os sistemas automatizados de análise de imagens adquiridas por microscopia eletrônica de varredura. Permitem a avaliação qualitativa ou quantitativa de grande número de partículas quanto à composição química e mineral, partição de elementos nos minerais presentes, formas de associações e liberação entre os minerais. Este estudo se concentra na caracterização de quatro amostras mineralizadas a ouro, de diferentes regiões do Brasil, pela análise automatizada de imagens e por métodos laboratoriais de separações minerais e extração hidrometalúrgica do ouro. A combinação de procedimentos laboratoriais com a análise de imagens permitiu confrontar os resultados das recuperações potenciais, fornecendo subsídios para abordagens de processo, para obtenção da máxima recuperação do ouro e para diagnosticar as características interferentes nesses processos.

Fabrication and characterization of metallic nanowires

The shape of metallic constrictions of nanoscopic dimensions (necks) formed using a scanning tunneling microscope is shown to depend on the fabrication procedure. Submitting the neck to repeated plastic deformation cycles makes it possible to obtain long necks or nanowires. Point-contact spectroscopy results show that these long necks are quite crystalline, indicating that the repeated cycles of plastic deformation act as a “mechanical annealing” of the neck.

Quantum interference in atomic-sized point contacts

The conductance of atomic-sized metallic point contacts is shown to be strongly voltage dependent due to quantum interference with impurities even in samples with low impurity concentrations. Transmission through these small contacts depends not only on the local atomic structure at the contact but also on the distribution of impurities or defects within a coherence length of the contact. In contrast with other mesoscopic systems we show that transport through atomic contacts is coherent even at room temperature. The use of a scanning tunneling microscope (STM) makes it possible to fabricate one atom contacts of gold whose transmission can be controlled by manipulation of the contact allowing inelastic spectroscopy in such small contacts.

Calibration of the length of a chain of single gold atoms

Using a scanning tunnelling microscope or mechanically controllable break junction it has been shown that it is possible to control the formation of a wire made of single gold atoms. In these experiments an interatomic distance between atoms in the chain of ∼3.6 Å was reported which is not consistent with recent theoretical calculations. Here, using precise calibration procedures for both techniques, we measure the length of the atomic chains. Based on the distance between the peaks observed in the chain length histogram we find the mean value of the interatomic distance before chain rupture to be 2.5±0.2 Å. This value agrees with the theoretical calculations for the bond length. The discrepancy with the previous experimental measurements was due to the presence of He gas, that was used to promote the thermal contact, and which affects the value of the work function that is commonly used to calibrate distances in scanning tunnelling microscopy and mechanically controllable break junctions at low temperatures.

Onset of energy dissipation in ballistic atomic wires

Electronic transport at finite voltages in free-standing gold atomic chains of up to seven atoms in length is studied at low temperatures using a scanning tunneling microscope. The conductance vs voltage curves show that transport in these single-mode ballistic atomic wires is nondissipative up to a finite voltage threshold of the order of several mV. The onset of dissipation and resistance within the wire corresponds to the excitation of the atomic vibrations by the electrons traversing the wire and is very sensitive to strain.

Observation of a parity oscillation in the conductance of atomic wires

Using a scanning tunnel microscope or mechanically controllable break junctions atomic contacts for Au, Pt, and Ir are pulled to form chains of atoms. We have recorded traces of conductance during the pulling process and averaged these for a large number of contacts. An oscillatory evolution of conductance is observed during the formation of the monoatomic chain suggesting a dependence on the numbers of atoms forming the chain being even or odd. This behavior is not only observed for the monovalent metal Au, as was predicted, but is also found for the other chain-forming metals, suggesting it to be a universal feature of atomic wires.

Measurement of the conductance of a hydrogen molecule

Recent years have shown steady progress towards molecular electronics, in which molecules form basic components such as switches, diodes and electronic mixers. Often, a scanning tunnelling microscope is used to address an individual molecule, although this arrangement does not provide long-term stability. Therefore, metal–molecule–metal links using break-junction devices have also been explored; however, it is difficult to establish unambiguously that a single molecule forms the contact. Here we show that a single hydrogen molecule can form a stable bridge between platinum electrodes. In contrast to results for organic molecules, the bridge has a nearly perfect conductance of one quantum unit, carried by a single channel. The hydrogen bridge represents a simple test system in which to understand fundamental transport properties of single-molecule devices.

Mechanical, electrical, and magnetic properties of Ni nanocontacts

The dynamic deformation upon stretching of Ni nanowires as those formed with mechanically controllable break junctions or with a scanning tunneling microscope is studied both experimentally and theoretically. Molecular dynamics simulations of the breaking process are performed. In addition, and in order to compare with experiments, we also compute the transport properties in the last stages before failure using the first-principles implementation of Landauer's formalism included in our transport package ALACANT.

Spin dynamics of current-driven single magnetic adatoms and molecules

A scanning tunneling microscope can probe the inelastic spin excitations of a single magnetic atom in a surface via spin-flip assisted tunneling in which transport electrons exchange spin and energy with the atomic spin. If the inelastic transport time, defined as the average time elapsed between two inelastic spin flip events, is shorter than the atom spin-relaxation time, the scanning tunnel microscope (STM) current can drive the spin out of equilibrium. Here we model this process using rate equations and a model Hamiltonian that describes successfully spin-flip-assisted tunneling experiments, including a single Mn atom, a Mn dimer, and Fe Phthalocyanine molecules. When the STM current is not spin polarized, the nonequilibrium spin dynamics of the magnetic atom results in nonmonotonic dI/dV curves. In the case of spin-polarized STM current, the spin orientation of the magnetic atom can be controlled parallel or antiparallel to the magnetic moment of the tip. Thus, spin-polarized STM tips can be used both to probe and to control the magnetic moment of a single atom.

Spin-transfer torque on a single magnetic adatom

We theoretically show how the spin orientation of a single magnetic adatom can be controlled by spin polarized electrons in a scanning tunneling microscope configuration. The underlying physical mechanism is spin assisted inelastic tunneling. By changing the direction of the applied current, the orientation of the magnetic adatom can be completely reversed on a time scale that ranges from a few nanoseconds to microseconds, depending on bias and temperature. The changes in the adatom magnetization direction are, in turn, reflected in the tunneling conductance.