Forskere udvikler simpel teknik til at visualisere strukturer i atomare skala

Forskere ved California Institute of Technology (Caltech) har udtænkt en ny teknik - ved at bruge et ark kulstof, der kun er et atom tykt - til at visualisere strukturen af ​​molekyler. Teknikken, som blev brugt til at få de første direkte billeder af, hvordan vand belægger overflader ved stuetemperatur, kan også bruges til at afbilde et potentielt ubegrænset antal andre molekyler, herunder antistoffer og andre biomolekyler.

Et papir, der beskriver metoden og undersøgelserne af vandlag, vises i 3. september-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab .

"Næsten alle overflader har en belægning af vand på sig, " siger James Heath, Elizabeth W. Gilloon professor og professor i kemi ved Caltech, "og at vand dominerer grænsefladeegenskaber" - egenskaber, der påvirker sliddet på den overflade. Mens overfladebelægninger af vand er allestedsnærværende, de er også meget svære at studere, fordi vandmolekylerne er "i konstant flux, og ikke sidde stille længe nok til at tillade målinger, " han siger.

Helt tilfældigt, Heath og hans kolleger udviklede en teknik til at fastlægge de bevægelige molekyler, under stuetemperaturforhold. "Det var en lykkelig ulykke - en, som vi var kloge nok til at erkende betydningen af, " siger han. "Vi studerede grafen på en atomisk flad overflade af glimmer og fandt nogle ø-formede strukturer i nanoskala fanget mellem grafen og glimmer, som vi ikke forventede at se."

grafen, som er sammensat af et et-atom-tykt lag af kulstofatomer i et honeycomb-lignende gitter (som hønsenet, men på atomare skala), skal være helt flad, når den lægges på en atomisk flad overflade. Heath og hans kolleger - tidligere Caltech-kandidatstuderende Ke Xu, nu på Harvard University, og kandidatstuderende Peigen Cao - troede, at anomalierne kunne være vand, fanget og fanget under grafen; vandmolekyler, trods alt, er overalt.

For at teste ideen, forskerne udførte andre eksperimenter, hvor de deponerede grafenpladerne ved varierende fugtighedsniveauer. De mærkelige strukturer blev mere udbredte ved højere luftfugtighed, og forsvandt under helt tørre forhold, førte forskerne til at konkludere, at de faktisk var vandmolekyler dækket af grafen. Heath og hans kolleger indså, at grafenarket var "atomisk konformt" - det omfavnede vandmolekylerne så tæt, næsten som krympefolie, at den afslørede deres detaljerede atomstruktur, når den blev undersøgt med atomkraftmikroskopi. (Atomkraftmikroskoper bruger en mekanisk sonde til i det væsentlige at "føle" overfladerne af objekter.)

"Teknikken er død simpel - det er noget bemærkelsesværdigt, at det virker, " siger Heath. Metoden, han forklarer, "er lidt ligesom, hvordan folk sprøjter kulstof eller guld på biologiske celler, så de kan afbilde dem. Kulstoffet eller guldet fikserer cellerne. Her, grafenen skaber perfekt de svagt adsorberede vandmolekyler på overfladen og holder dem på plads, i op til et par måneder i hvert fald."

Ved at bruge teknikken, forskerne afslørede nye detaljer om, hvordan vand dækker overflader. De fandt ud af, at det første lag vand på glimmer faktisk er to vandmolekyler tykt, og har strukturen af ​​is. Når dette lag er fuldt dannet, et sekund, to-molekyle-tykke lag af is dannes. Oven i købet, "du får dråber, " siger Heath. "Det er virkelig fantastisk, at de første to adsorberede lag af vand danner islignende mikroskopiske øer ved stuetemperatur, " siger Xu. "Disse fascinerende strukturer er sandsynligvis vigtige for at bestemme overfladeegenskaberne af faste stoffer, inklusive, for eksempel, smøring, vedhæftning, og korrosion."

Forskerne har siden med succes testet andre molekyler på andre typer atomisk flade overflader - sådan fladhed er nødvendig, så molekylerne ikke sætter sig ind i ufuldkommenheder i overfladen, forvrængning af deres struktur målt gennem grafenlaget. "Vi mangler endnu at finde et system, hvor dette ikke virker, " siger Heath. Han og hans kolleger arbejder nu på at forbedre opløsningen af ​​teknikken, så den kan bruges til at afbilde den atomare struktur af biomolekyler som antistoffer og andre proteiner. "Vi har tidligere observeret individuelle atomer i grafen ved hjælp af scanningstunnelingen mikroskop, " siger Cao. "Samnende opløsning bør også være opnåelig for grafen-dækkede molekyler."

"Vi kunne drapere grafen over biologiske molekyler - inklusive molekyler i i det mindste delvist vandige miljøer, fordi du kan have vand til stede - og potentielt få deres 3-D struktur, " siger Heath. Det kan endda være muligt at bestemme strukturen af ​​komplicerede molekyler, som protein-proteinkomplekser, "der er meget svære at krystallisere, " han siger.

Mens data fra et molekyle kan afsløre bruttostrukturen, data fra 10 vil afsløre finere funktioner - og ved beregningsmæssig sammensætning af data fra 1, 000 identiske molekyler kan afsløre alle atomare afkroge.

Hvis du forestiller dig, at grafen draperet over et molekyle er ligesom et lagen, der kastes over en sovende kat på din seng, Heath forklarer, at have ét billede af den arkdækkede klump – i én retning – "vil fortælle dig, at det er et lille dyr, ikke en sko. Med 10 billeder, du kan se det er en kat og ikke en kanin. Med mange flere billeder, du vil vide, om det er en fluffy kat - selvom du aldrig vil se tabby-striberne."