Розширений метод мікроскопії показує нові аспекти води на наномасштабному рівні

У Львові дівчаток-підлітків безкоштовно вакцинують від вірусу папіломи (Червень 2019).

Anonim

Нова технологія мікроскопії, розроблена в Чиказькому університеті штату Іллінойс, дозволяє дослідникам вперше візуалізувати рідини на рівні наномасштабів - приблизно в 10 разів більше, ніж із традиційною електронною мікроскопією.

Захоплення хвилинних кількостей рідини між двома двомірними шарами нітриду бору, рідкий зразок можна зобразити з надзвичайно високою роздільною здатністю за допомогою традиційного електронного мікроскопа пропускання та методів спектроскопії. Цей підхід міг би надавати інформацію про коливальний стан окремих молекул.

Новий метод може використовуватися для спостереження за розміром у нанорозмірних розмірах, що використовуються в біологічних дослідженнях, і для візуалізації процесів на рідко-твердих інтерфейсах безпрецедентної роздільної здатності. Використовуючи їх спеціалізований зразок для зразків або жидку клітину нітриду бору, дослідники описують унікальні властивості води та важкої води на наномасштабному рівні. Вони повідомляють про свої висновки в журналі Advanced Materials.

"Хоча це може здатися дивним, щоб зосередитись на чомусь сприйнятливому як воду, є ще те, що ми не розуміємо, коли воно обмежується на наномасштабі", сказав Роберт Клі, професор фізики UIC та старший автор статті. "Багато застосувань в енергії, каталізі, хімії та біології залежать від наномасштабних взаємодій у воді, які ми не змогли візуалізувати, використовуючи наявні методи вимірювання".

"Використовуючи нашу спеціалізовану клітинку, ми можемо розглянути коливальну поведінку води і почати вивчати, як вона діє в надзвичайно дрібних кількостях, що знаходяться в межах шарів нітриду бору", - сказав Джейкоб Джоксаарі, кореспондентові доповіді та докторантуру в кафедра фізики в МСЖД.

По-перше, дослідникам довелося вирішити проблему виділення крихітних кількостей рідини під час підготовки до сканування трансмісійної електронної мікроскопії, яка використовує фосфорний промінь електронів для зразків зображень. Як правило, зразки повинні бути заморожені або укладені в епоксидну смолу, а потім надшвидкі нарізані до того, як вони будуть розміщені під електронним пучком, де користувачеві потрібно всього кілька секунд, щоб сфотографувати зразок до його випаровування.

"Ми хотіли подивитися на невелику кількість рідини, і ми звернулися до наноматеріалів, щоб інкапсулювати і підтримувати рідину, не впливаючи на вимірювання", сказав Клі. "Оскільки двовимірні матеріали складаються з одного шару атомів, вони ледве не впливають на електронний промінь, який використовується для зображення рідини, але вони досить міцні, щоб утримувати рідкий пухир всередині вакууму мікроскопа".

Після випробування декількох двовимірних матеріалів дослідники остаточно осіли на наношарках нітриду бору. Цей матеріал міг містити молекули води і був прозорим для інфрачервоного випромінювання, що створюється молекулами вібраційної води. Але прогрес був повільний.

"Це надзвичайно крихітні та тендітні твори матерії - лише навчитися тримати і маніпулювати ними місяці", - сказав Клі.

Команда мала змогу пройти бутерброди води та її кузена, важкої води, між шаром нітриду бору та отримати її у місці в електронному мікроскопічному трансмісії університету.

"Ми можемо набрати до енергії близько 350 міліелектронних вольт за допомогою нашого мікроскопа, але ми знали, що ми потребуємо кращих рішень для вимірювання коливальних властивостей води. Нам потрібен доступ до кращого мікроскопа", - сказав Клі. Електронний вольт - одиниця виміру, яка може бути використана для опису енергії вібраційних частинок.

Команда взяла їх клітину з нітриду бору до Національної лабораторії Дубового хребта Департаменту енергетики в штаті Теннессі, де дослідники Центру наук про нанофазних матеріалах, Управління науково-дослідного центру користувача DOE, мають доступ до скануючого електронного мікроскопу з одним із світових найкращі енергетичні резолюції. Використовуючи цей мікроскоп, Клі та його колеги змогли побачити, що коли ізольовано в невеликих кількостях, вода поводиться по-різному.

"Ми бачили, що в нашій клітці містяться невеликі коливання в коливальній частоті", - зазначив Джордж Хачтел, дослідник з докторантури в Національній лабораторії Оук Рідж та автор статті.

Як правило, вода у великих кількостях коливається на 420 мілі-електронні вольта, але Клі свідчила, що вода, яка у ловусі в ній, вібрується в 406 мілі-електронні вольт.

Дослідники використовували електронно-мікроскоп з високою енергією, щоб також візуалізувати важку воду, де замість двох атомів водню, пов'язаних з атомом кисню, гідроген замінюється дейтерієм, який важчий за водень. Важкі води часто використовуються для позначення досліджуваних молекул. Будучи можливим виявити місце розташування важкої води в клітинах, він ніколи раніше не був візуалізований з рівнем дозволу, що забезпечується новою технікою Клі.

Попередня робота розглядає електрохімію води на макро- або мікрометрі, де властивості усереднюються над великим об'ємом. Але електрохімічні реакції виявляються зовсім інакше, коли досліджуються в досить малих масштабах.

"Вимірювання того, як вода зв'язується та взаємодіє з іншими речовинами, такими як інтерфейс, де вода торкається щось ще, або взаємодії, які відбуваються у воді, такі як корозія металів, досі неможливо на наномасштабному рівні", - сказав Джокісарі. "Ця робота прокладає шлях для вивчення електрохімії та атомного рівня, де теорія, заснована на комп'ютерному моделюванні, впровадила експериментальні методи".

"Ця методика електронної мікроскопії дає змогу побачити фізичні та хімічні процеси, що відбуваються в рідкому середовищі на наномасштабному рівні, на набагато менших обсягах, ніж те, що можна виміряти іншими доступними методами", - сказав Клі. "На таких невеликих масштабах поведінка того, що ми вважаємо основною, як вода, змінюється, оскільки окремі атомні зв'язки, локальні електричні поля та близькість поверхонь починають впливати на його нормальну поведінку".

menu
menu