3D-billeddannelse af overfladekemi i indespærring

EPFL -forskere har udviklet et optisk billeddannelsesværktøj til at visualisere overfladekemi i realtid. De afbildede grænsefladekemien i den mikroskopisk afgrænsede geometri af en simpel mikrokapillær af glas. Glasset er dækket af hydroxyl (-OH) grupper, der kan miste en proton - en meget undersøgt kemisk reaktion, der er vigtig i geologi, kemi og teknologi. En 100 mikron lang kapillær viste en bemærkelsesværdig spredning i overflade-OH-bindingsdissociationskonstant på en faktor på en milliard. Forskningen er blevet offentliggjort i Videnskab .

Geologisk, katalytisk, biologiske og kemiske processer er drevet af overfladekemiske heterogeniteter, elektrostatiske felter og flow. For at forstå disse processer og for at muliggøre videreudvikling af nye materialer og mikroteknologi, forskere ved EPFL's Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) har designet et mikroskop, der kan spore, i realtid, tredimensionelle rumlige ændringer i molekylære struktur og kemi i begrænsede systemer, såsom buede overflader og porer. Mikroskopet blev brugt til at forestille overfladens kemiske struktur på indersiden af ​​et glas mikrokapillar. Overfladepotentiale kort blev konstrueret ud fra millisekundbillederne, og den kemiske reaktionskonstant for hver 188 nm bred pixel blev bestemt. Overraskende nok, dette meget enkle system - som bruges i mange enheder - viste en bemærkelsesværdig spredning i overfladeheterogenitet. Forskernes resultater er publiceret i Science. Deres metode vil være en velsignelse for at forstå grundlæggende (elektro) kemikalier, geologiske og katalytiske processer og til at bygge nye enheder.

Anden-harmonisk billeddannelse

Sylvie Roke, direktør for Julia Jacobi Chair of Photomedicine ved EPFL, har udviklet et unikt sæt optiske værktøjer til at studere vand og vandige grænseflader på nanoskala. Hun bruger anden-harmonisk og sum-frekvensgenerering, som er optiske processer, hvor to fotoner af en bestemt farve omdannes til en ny farve. "Den anden harmoniske proces involverer 1000 nm femtosekund fotoner - dvs. 0,000000000000001-sekunders lysudbrud - bliver omdannet til 500 nm fotoner, og dette sker kun ved grænseflader, " siger Roke. "Den er derfor ideel til grænseflademikroskopi. Desværre, processen er meget ineffektiv. Men ved at bruge en række optiske tricks, såsom bredfeltsbilleddannelse og lysformning, vi var i stand til at forbedre både billedgennemstrømningen og opløsningen, reducerer tiden til at optage et billede fra minutter til 250 millisekunder."

Overraskende overfladekemi

Forskerne afbildede derefter deprotoneringsreaktionen af ​​den indre silica-kapillar-/vand-grænseflade i realtid. Silica er et af de mest rigelige mineraler på jorden, og dets interaktion med vand former vores klima og miljø. Selvom mange forskere har karakteriseret egenskaberne af silica/vand-grænsefladen, der er ingen konsensus om dets kemiske reaktivitet. Roke fortsætter:"Vores data viser, hvorfor der er en bemærkelsesværdig spredning i overfladereaktivitet, selv på en meget lille del af en kapillær. Vores data vil hjælpe med udviklingen af ​​teoretiske modeller, der er mere effektive til at fange denne overraskende kompleksitet. Ud over, vores billedbehandlingsmetode kan bruges til en lang række processer, såsom til at analysere en brændselscelles funktion i realtid, eller for at se, hvilken strukturel facet af et mineral der er mest kemisk aktiv. Vi kunne også få mere indsigt i nanokanaler og både kunstige og naturlige porer.