Išplėstinė mikroskopijos technika atskleidžia naujus vandens aspektus nanoskatuose

Anonim

Čikagos Ilinojaus universitete sukurta nauja mikroskopijos technologija leidžia mokslininkams pirmą kartą vizualizuoti skysčius nanokapsalu lygiu - maždaug 10 kartų didesniu skiriamuoju atstumu nei tradicinė perdavimo elektronine mikroskopija.

Spąstais tarp dviejų dviejų dimensijų boro nitrido sluoksnių praleidžiant mažą kiekį skysčio, skystis gali būti imamas labai didelio atsparumo dėka naudojant tradicinį perdavimo elektronų mikroskopą ir spektroskopijos metodus. Šis metodas gali suteikti informacijos apie atskirų molekulių vibracinį būklę.

Naujas metodas gali būti naudojamas siekiant stebėti nanoskalkio dydžio atsekamumą, naudojamą biologiniams tyrimams, ir vizualizuoti procesus skystos ir kietos sąsajose be precedento neturinčios rezoliucijos. Mokslininkai, naudodamiesi specializuotais mėgintuvėlių laikikliais arba boro nitridų skystomis kameromis, apibūdina unikalias vandens ir sunkiojo vandens savybes nanoskaitu lygiu. Jie praneša apie savo išvadas žurnale " Advanced Materials".

"Nors gali atrodyti keista sutelkti dėmesį į kažką panašaus, kaip akivaizdžiai gerai suprantamas kaip vanduo, vis dar yra dalykų, kurių mes nesuprantame, kai jie apsiriboja nanoskaitu", - teigė fizikos profesoriaus UIC Robertas Klieas ir vyriausiasis autorius. "Tiek daug energijos, katalizės, chemijos ir biologijos sričių priklauso nuo nanoskyrinės sąveikos vandenyje, kurių mes negalėjome vizualizuoti naudodami šiuo metu galiojančius matavimo metodus".

"Naudojant mūsų specializuotą ląstelę, mes galime pažvelgti į vibracinį vandens elgesį ir pradėti tyrinėti, kaip jis veikia labai mažuose kiekiuose, esančiuose boro nitrido sluoksniuose", - sakė atitinkamas Jokūbo Jokisaari autorius ir mokslinis daktaras. Fizikos katedra UIC.

Pirma, mokslininkams reikėjo išspręsti problemą, kaip išskirti nedidelius skysčio kiekius ruošiant skenavimo transliuojančiosios elektroninės mikroskopijos, kuri naudoja fokusuotą elektronų spindulį vaizdo pavyzdžiams. Paprastai mėginiai turi būti užšaldyti arba apvilkti į epoksidą, o po to juos supjaustyti labai plonais, prieš juos dedant elektronų pluoštu, kur naudotojas turi tik kelias sekundes fotografuoti mėginį, kol jis išgaruoja.

"Mes norėjome pažvelgti į nedidelį kiekį skysčių, o mes kreipėmės į nanomedžiagas, kad įkapsuliuotų ir palaikytų skysčių, neturėdami įtakos matavimams", - sakė Klie. "Kadangi dvimatis medžiagas sudaro tik vienas atomų sluoksnis, jie vos įtakoja elektronų spindulį, naudojamą skysčio vaizdavimui, tačiau jie yra pakankamai stiprūs, kad mikroskopo vakuume būtų laikomas skystas burbulas."

Išbandžius keletą dvimačių medžiagų, mokslininkai galiausiai nusistovėjo ant boro nitrido nanodalelių. Ši medžiaga galėjo turėti vandens molekulių ir buvo skaidri dėl infraraudonosios spinduliuotės, kurią sukėlė vibruojančios vandens molekulės. Tačiau pažanga buvo lėta.

"Tai labai smulkios ir trapios medžiagos. Tik mokytis juos laikyti ir manipuliuoti praėjo mėnesiai", - sakė Klie.

Grupei reikėjo beveik ketverių metų, kad komanda galėtų sumušti vandenį ir jos pusbrolius, sunkųjį vandenį, tarp boro nitrido sluoksnių ir patekti į universiteto perdavimo elektroninį mikroskopą.

"Mūsų mikroskopu mes galėjome gauti maždaug 350 milivelių elektronų voltų energijos suvartojimą, tačiau mes žinojome, kad turime geresnių sprendimų, kad išmatuotų vibracines vandens savybes. Buvo reikalinga prieiga prie geresnio mikroskopo, - teigė Klie. Elektronų voltas yra matavimo vienetas, kuris gali būti naudojamas vibruojančių dalelių energijos apibūdinimui.

Grupė išleido boro nitrido ląstelę į Tenesio energetikos Oak Ridge nacionalinės laboratorijos departamentą, kur mokslininkai Nanofazinių medžiagų mokslų centre, Mokslo tarnybos DOE biure, turi prieigą prie skenavimo transliuojančio elektroninio mikroskopo su vienu iš pasaulio geriausios energijos rezoliucijos. Naudodamas šį mikroskopą, Klie ir jo kolegos galėjo pamatyti, kad vanduo elgiasi kitaip, kai išskiriamas nedideli kiekiai.

"Mes pastebėjome, kad jo vibracinis dažnis pasikeitė, kai mūsų kameroje buvo nedideli kiekiai", - sakė mokslinis tyrėjas Oak Ridge National Laboratory ir popieriaus autorius Jordan Hachtel.

Paprastai vanduo dideliais kiekiais vibruoja 420 milijonų elektronų voltų, tačiau Klie liudijo, kad jo ląstelėje įsisavintas vanduo vibruoja 406 milijonų elektronų voltų.

Mokslininkai panaudojo didelės raiškos elektromagnetinį mikroskopą, taip pat vaizdavo sunkųjį vandenį, kur vietoj dviejų vandenilio atomų prisijungė prie deguonies atomo, o vandeniliai pakeičiami deuteriu, kuris yra sunkesnis už vandenilį. Sunkusis vanduo dažnai naudojamas norint pažymėti į eksperimentus domėtinas molekules. Nors buvo įmanoma nustatyti sunkiojo vandens vietą ląstelėse, niekada anksčiau nebuvo vizualizuojamas, lyginant su nauja Klie technika.

Ankstesniame darbe nagrinėjama vandens elektrocheminė analizė makro arba mikrometro lygiu, kai savybės yra vidutinės didelės apimties. Tačiau elektrocheminės reakcijos pasirodo labai skirtingai, kai tiriamos pakankamai mažu mastu.

"Matavimai, kaip vandens sąsajos ir sąveika su kitomis medžiagomis, pvz., Sąsaja, kurioje vanduo liečia kažką kita, arba sąveika, vykstanti vandenyje, pvz., Metalų korozija, iki šiol nebuvo įmanoma nano mastu", - sakė Jokisari. "Šis darbas atveria kelią elektrocheminio ir atominio lygmens tyrimams, kur kompiuterinės modeliavimo teorija sukūrė eksperimentinius metodus."

"Šis naujas elektronų mikroskopijos metodas leidžia mums matyti fizinius ir cheminius procesus, vykstančius skystoje aplinkoje nanoskaitu lygiu, kur kas mažesnės apimties, negu tai galima išmatuoti kitais šiuo metu turimais metodais", - sakė Klie. "Tokiose mažose svarstyklėse elgesys, kurį mes manome kaip pagrindinį, kaip vanduo, keičiasi, nes atskiri atominiai ryšiai, vietiniai elektriniai laukai ir paviršių artumas jaučia įprastą elgesį".

menu
menu