Täiustatud mikroskoopia tehnika näitab vee uusi aspekte nanoskaala tasandil

Minu talve intro(aint natuke täiustatud) (Aprill 2019).

Anonim

Chicago Illinoisi ülikoolis välja töötatud uus mikroskoopia tehnika võimaldab teadlastel esmakordselt esmakordselt visualiseerida vedelike nanoosakeste tasemel - ligikaudu 10 korda suurem lahutusvõime kui tavapärasel transmissioon-elektronmikroskoopiaga.

Kahe kahemõõtmelise boornitriidi kihtide vahele jääva minutise koguse vahele jääva vedeliku prooviga saab erakordselt suure eraldusvõimega pildistada traditsioonilise transmissioon-elektronmikroskoobi ja spektroskoopiatehnikate abil. Selline lähenemine võib anda teavet üksikute molekulide vibratsiooni olekust.

Uut tehnikat saab kasutada bioloogilistes uuringutes kasutatavate nanoosakeste suurusega märgistusainete jälgimiseks ja protsesside visualiseerimiseks vedel-tahke liidestel enneolematu resolutsiooniga. Uurijad teostavad spetsiaalse proovihoidja või boornitriidi vedelate rakkude abil unikaalseid omadusi vee ja raske veega nanoskaala tasandil. Nad teatavad oma leiud ajakirjas Advanced Materials.

"Kuigi võib tunduda veider keskenduda midagi, mis näib olevat hästi mõistetav kui vesi, on veel asju, mida me ei saa aru, kui see piirdub nanoskaalaga, " ütles füüsikaprofessor ja kirjanduse vanemautor UICi professor Robert Klie. "Nii palju rakendusi energia, katalüüsi, keemia ja bioloogia valdkonnas sõltuvad nanoskaalidest koostoimest vees, mida me ei suutnud visualiseerida olemasolevate mõõtmistehnikate abil."

"Spetsiaalse raku kasutamisel võime vaadelda vee vibratsiooni käitumist ja hakata uurima, kuidas see toimib väga väikestes kogustes, mis on piiratud boornitriidi kihtidega, " ütles Jacob Jokisaari vastav kirjanik ja doktoriõppejõud UICi füüsika osakond.

Esiteks pidid teadlased lahendama probleemi, kuidas eraldada mikroelektronmikroskoopia skaneerimiseks ette väikseid koguseid vedelikku, mis kasutab graafikaproovide jaoks elektronide fokuseeritud kiudu. Tavaliselt tuleb proovid külmutada või ümbritseda epoksiidiga ja seejärel lõigata super-õhukese kihina, enne kui nad asetatakse elektronkiire alla, kus kasutajal on paar sekundit enne proovide võtmist enne aurustumist.

"Tahtsime vaadata väikest kogust vedelikku, ja me pöördusime nanomaterjalide poole, et kapseldada ja toetada vedelikku, mõõtmisi mõjutamata, " ütles Klie. "Kuna kahemõõtmelised materjalid koosnevad ainult ühest aatomite kihist, mõjutavad need vaevu vedeliku kuvamiseks kasutatavat elektronkiire, kuid need on piisavalt tugevad, et mikroskoobi vaakumisse jääks vedeliku mull."

Pärast mitmete kahemõõtmeliste materjalide testimist leidsid asjatundjad lõpuks boornitriidist nanokihti. See materjal suutis sisaldada veemolekule ja on läbipaistev vibreerivate vesimolekulide poolt tekitatud infrapunakiirgusele. Kuid edu oli aeglane.

"Need on äärmiselt pisikesed ja nõrgad materjalitükid - õppida, kuidas neid hoida ja manipuleerida, kulus kuud, " sõnas Klie.

Meeskonnale kulus peaaegu neli aastat, et oleks võimalik vesi ja tema nõbu, raske vesi võita boornitriidi kihtide vahele ja asetada see ülikooli läbilaskelektronmikroskoobis.

"Meie mikroskoobi abil võime saada umbes 350 milli-elektronvolti energia lahutamist, kuid me teadsime, et meil on vaja paremaid resolutsioone, et mõõta vibreerivaid vee omadusi. Selleks vajame juurdepääsu paremale mikroskoobile, " ütles Klie. Elektronvolt on mõõtühik, mida saab kasutada vibroosakeste energia kirjeldamiseks.

Meeskond võttis oma boornitriidrakud üle Tennessee'i energeetikaministeeriumi Oak Ridge'i riiklikule laboratooriumile, kus teadustöötajad Nanofaasi materjaliteaduste keskuses (DOE Office of Science Facility) saavad juurdepääsu skaneeriva transmissiooni elektronmikroskoobile, mis on üks maailma parimad energiaotsused. Selle mikroskoobi abil võisid Klie ja tema kolleegid mõista, et väikeste koguste puhul on vesi käitunud erinevalt.

"Meie nägime, et vibratsiooni sagedus muutus oma rakus väikestes kogustes, " ütles Jordaania Hachtel, Oak Ridge National Laboratory doktorivälise uurija ja kirjaniku autor.

Tavaliselt vibreerib vesi suurtes kogustes 420 milli-elektronvolti, kuid Klie nägi, et tema rakus püütud vesi vibreerib 406 milli-elektronvolti.

Uurijad kasutasid kõrglahutusega resolutsiooni elektronmikroskoopi, et ka raske veega visualiseerida, kus kahe hapnikuaatomiga seotud vesiniku aatomi asemel asendatakse vesinikud deuteeriumiga, mis on vesinikust raskem. Tavalist vett kasutatakse sageli katsetes huvipakkuvate molekulide märgistamiseks. Kuigi on võimalik kindlaks teha raskese vee asukoht rakkudes, pole seda kunagi varem näinud Klie uue tehnikaga lahendatud tasemega.

Varasemas töös vaadeldakse vee elektrokeemiat makro või mikromeetri tasemel, kus omadused keskmistatakse suuremahuliste mahtudega. Kuid elektrokeemilised reaktsioonid ilmnevad väga erinevalt, kui neid uuritakse piisavalt väikeses ulatuses.

"Mõõtmine, kuidas vesi sidemed ja nendega suhtlemine teiste ainetega, näiteks liideses, kus vesi puudutab midagi muud, või vees esinevad koostoimed, nagu metallide korrosioon, on nanoskaalatasandil senini võimatu, " ütles Jokisaari. "See töö sillutab teed elektrokeemia ja aatomiumi taseme uurimisele, kus arvutite modelleerimise aluseks olev teooria on teadmistepõhist lähenemist edasi arendanud."

"See uus elektronmikroskoopiatehnoloogia võimaldab meil näha füüsikalis-keemilisi protsesse, mis juhtuvad nanoskaalide tasemel vedelas keskkonnas - palju väiksemates kogustes kui seda, mida saab mõõta teiste olemasolevate meetodite abil, " ütles Klie. "Sellisel väikesel skaalal hakkab oma normaalset käitumist mõjutama sellise käitumine, mida me peame nii põhiliseks nagu vesi muutub kui üksikud aatomi sidemed, kohalikud elektriväljad ja pindade lähedus."

menu
menu