Zaawansowana technika mikroskopii ujawnia nowe aspekty wody na poziomie nanoskali

Anonim

Nowa technika mikroskopowa opracowana na Uniwersytecie Illinois w Chicago pozwala badaczom wizualizować płyny na poziomie nanoskali - około 10 razy więcej rozdzielczości niż przy tradycyjnej transmisyjnej mikroskopii elektronowej - po raz pierwszy.

Przez zatrzymywanie niewielkich ilości cieczy pomiędzy dwiema dwuwymiarowymi warstwami azotku boru, ciekłą próbkę można zobrazować przy bardzo wysokiej rozdzielczości, stosując tradycyjny transmisyjny mikroskop elektronowy i techniki spektroskopowe. Takie podejście może dostarczyć informacji na temat stanu wibracyjnego poszczególnych cząsteczek.

Nowa technika może być wykorzystana do śledzenia znaczników wielkości nanometrycznych wykorzystywanych w badaniach biologicznych oraz do wizualizacji procesów na płynnych interfejsach przy niespotykanej rozdzielczości. Korzystając ze specjalistycznego uchwytu do pobierania próbek lub komory ciekłego azotku boru naukowcy opisują unikalne właściwości wody i ciężkiej wody na poziomie nanoskali. Zgłaszają swoje odkrycia w czasopiśmie Advanced Materials.

"Choć może wydawać się dziwne skupienie się na czymś tak pozornie zrozumiałym jak woda, wciąż istnieją rzeczy, których nie rozumiemy, gdy są ograniczone do nanoskali" - powiedział Robert Klie, profesor fizyki UIC i autor artykułu na ten temat. "Tak wiele zastosowań w energetyce, katalizie, chemii i biologii zależy od interakcji nanoskalowych w wodzie, których nie byliśmy w stanie zwizualizować przy użyciu obecnie dostępnych technik pomiarowych."

"Korzystając z naszej wyspecjalizowanej komórki, możemy spojrzeć na wibracyjne zachowanie wody i zacząć badać, jak działa w bardzo małych ilościach zamkniętych w warstwach azotku boru" - powiedział autor artykułu Jacob Jokisaari i doktorant w Wydział Fizyki na UIC.

Po pierwsze, badacze musieli rozwiązać problem izolacji niewielkich ilości cieczy w przygotowaniu do skanowania transmisyjnej mikroskopii elektronowej, która wykorzystuje skupioną wiązkę elektronów do obrazowania próbek. Zwykle próbki muszą być zamrożone lub zamknięte w żywicy epoksydowej, a następnie pokrojonej na super cienkie, zanim zostaną umieszczone pod wiązką elektronów, gdzie użytkownik ma zaledwie kilka sekund na zrobienie zdjęcia próbki przed jej odparowaniem.

"Chcieliśmy przyjrzeć się niewielkim ilościom płynu, a my zwróciliśmy się do nanomateriałów, aby obudować i utrzymać płyn, nie wpływając na pomiary" - powiedział Klie. "Ponieważ materiały dwuwymiarowe składają się tylko z jednej warstwy atomów, mają niewielki wpływ na wiązkę elektronów wykorzystywaną do obrazowania cieczy, ale są wystarczająco silne, aby utrzymać ciekły pęcherzyk wewnątrz próżni mikroskopowej."

Po przetestowaniu kilku dwuwymiarowych materiałów naukowcy ostatecznie zdecydowali się na nanowarstwy azotku boru. Materiał ten był w stanie zawierać cząsteczki wody i był przezroczysty dla promieniowania podczerwonego wytwarzanego przez drgające cząsteczki wody. Ale postęp był powolny.

"Są to bardzo małe i kruche kawałki materiału - tylko uczenie się trzymania i manipulowania nimi zajęło miesiące" - powiedział Klie.

Niemal cztery lata zajęło zespołowi, aby między warstwami azotku boru i jego kuzynem, ciężką wodą, umieścili warstwę wody i umieścić ją w uniwersyteckim transmisyjnym mikroskopie elektronowym.

"Moglibyśmy uzyskać mikroskop o rozdzielczości energii około 350 miliardów woltów elektronów, ale wiedzieliśmy, że potrzebujemy lepszych rozdzielczości do pomiaru wibracyjnych właściwości wody, potrzebowaliśmy dostępu do lepszego mikroskopu" - powiedział Klie. Wolt elektronowy jest jednostką miary, która może być użyta do opisania energii drgających cząstek.

Zespół przejął swoją komórkę azotku boru do Laboratorium Dębowego Departamentu Energii w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, gdzie naukowcy z Centre for Nanophase Materials Sciences, biura użytkownika DOE Office of Science, mają dostęp do skaningowego mikroskopu elektronowego z jednym z największych na świecie najlepsze rozdzielczości energii. Używając tego mikroskopu, Klie i współpracownicy byli w stanie dostrzec, że gdy jest wyizolowany w niewielkich ilościach, woda zachowuje się inaczej.

"Widzieliśmy, że nastąpiła zmiana częstotliwości wibracji, gdy jest ona ograniczona do małych ilości w komórce" - powiedział Jordan Hachtel, doktorant z Oak Ridge National Laboratory i autor artykułu.

Zwykle woda w dużych ilościach wibruje na 420 miliardów woltów, ale Klie był świadkiem, że woda uwięziona w jego komórce wibrowała przy 406 mili-woltach.

Naukowcy wykorzystali mikroskop elektronowy o wysokiej rozdzielczości do wizualizacji ciężkiej wody - gdzie zamiast dwóch atomów wodoru związanych z atomem tlenu, wodory zastąpiono deuterem, który jest cięższy niż wodór. Ciężka woda jest często używana do oznaczania molekuł będących przedmiotem zainteresowania w eksperymentach. Chociaż możliwe było określenie położenia ciężkiej wody w komórkach, to nigdy wcześniej nie było to wizualizowane z poziomem rozdzielczości zapewnianej przez nową technikę Klie.

Wcześniejsza praca dotyczy elektrochemii wody na poziomie makro lub mikrometrycznym, gdzie właściwości są uśredniane na dużej objętości. Ale reakcje elektrochemiczne wyglądają bardzo różnie, gdy są badane na wystarczająco małą skalę.

"Pomiar jak woda wiąże się i współdziała z innymi substancjami, takimi jak na styku, w którym woda dotyka czegoś innego, lub interakcjami zachodzącymi w wodzie, takimi jak korozja metali, do tej pory nie był możliwy na poziomie nanoskali" - powiedział Jokisaari. "Ta praca toruje drogę do badania elektrochemii i poziomu atomowego, gdzie teoria oparta na modelowaniu komputerowym wykroczyła daleko poza techniki eksperymentalne."

"Ta nowa technika mikroskopii elektronowej pozwala nam zobaczyć fizyczne i chemiczne procesy zachodzące w płynnym środowisku na poziomie nanoskali - znacznie mniejsze objętości niż to, które można zmierzyć innymi obecnie dostępnymi metodami" - powiedział Klie. "W tak małej skali zachowanie czegoś, co uważamy za podstawowe, jak woda, zmienia się jako indywidualne wiązania atomowe, lokalne pola elektryczne i bliskość powierzchni zaczynają wpływać na jej normalne zachowanie."

menu
menu