Nyt superopløsningsmikroskop skal bygges på UH

Et nyt mikroskop, der skal bygges ved University of Houston (UH), vil give forskere en bedre måde at studere de kemiske egenskaber af en række overflader, kører spektret fra plastik og metaller til celler og vand. Forskere siger, at dette vil hjælpe i både miljøstudier og materialevidenskab.

Et treårigt, 1 million dollars tilskud fra W. M. Keck Foundation blev tildelt Steven Baldelli, lektor i kemi ved UH, at bygge enheden. Baldelli samarbejder om dette projekt med Kevin Kelly, en lektor i elektro- og computerteknik ved Rice University.

"Overflader er overalt, men at studere deres kemi er lidt vanskelig, da overflader ofte kun er et eller to atomer tykke, " sagde Baldelli. "Overflader har typisk andre egenskaber end hovedparten af ​​materialet."

Mikroskopet, som Baldellis gruppe bygger, vil give videnskabsfolk mulighed for at få mere information om overflader. Den nuværende teknik til generering af sumfrekvens, eller SFG, bruger en laser og giver den overordnede overflades kemiske natur, men ikke den detaljerede kemi af forskellige regioner på tværs af en overflade, og hvordan de reagerer.

"Hvis du ser på et stykke metal, nogle dele vil være skinnende, nogle kedelige, nogle rustne, " sagde Baldelli. "Kemien er ikke ensartet på tværs af overfladen. Dette nye mikroskop vil fange og levere data for alle områder. Nuværende teknikker slører detaljerne i specifikke regioner."

Baldelli siger, at det at vide mere om de forskellige områder af en overflade vil være nyttigt for mange områder af videnskaben, herunder miljøvidenskab til undersøgelser af mineraler og naturlige vandoverflader, samt materialevidenskab til fremstilling af forskellige materialer såsom metaller, legeringer og polymerer. Til det nye mikroskop, Baldelli kombinerer SFG med en teknik kaldet compressive sensing imaging, hvilket vil gøre det muligt for forskere at opdele dataene i lokaliserede regioner for at se reaktionerne i det specifikke område.

Ifølge Baldelli, laseren giver dem mulighed for at lære, hvordan overflademolekyler opfører sig ved at se på, hvordan molekylerne interagerer med laserens lys. Når laserstrålen rammer prøven, forskerne genvinder signalet og analyserer, hvad der sker, efter det rammer, give dem data om, hvorvidt prøven absorberer lys, udsender nye lyssignaler eller ændrer lysets polarisering.

Før du modtager Keck Foundation-bevillingen, Baldelli- og Kelly-grupperne byggede en prototype for at bevise, at konceptet ville fungere. Baldelli og UH kandidatstuderende Xiaojun Cai arbejdede med kemi og laseroptik, mens Kelly og hans elev Ting Sun manipulerede billeddataene til analyse af overfladesignalerne. Deres resultater blev offentliggjort i Journal of Chemical Physics , sammen med et andet teammedlem og UH-alumne, Bian Hu, som arbejdede med Rice-gruppen. Artiklen er tilgængelig online på http://jcp.aip.org/resource/1/jcpsa6/v135/i19/p194202_s1.

"Det tog et par år og blev bygget med reservedele, men vi har været i stand til at bevise, at princippet virker, " sagde Baldelli. "Vi har vist, at vi kan gendanne billederne og overfladesignalerne."

Tilskuddet vil give holdet mulighed for at købe en hurtigere laser, giver dem mulighed for at konstruere en enhed med forbedret billedopløsning og dataopsamlingshastighed. Med mere end 50 grupper verden over, der bruger den nuværende SFG-teknik til overfladekemimålinger, Baldelli siger, at når dette nye mikroskop er færdigt og fuldt testet, det vil være nemt for videnskabsmænd over hele verden at anvende den ekstra funktion af kompressionsføling.

"Omkring to tredjedele af de grupper, der bruger SFG, har allerede en laser med hurtig optagelse, " sagde Baldelli. "Når vi har bygget og testet dette kombinerede SFG og kompressionsfølende mikroskop, andre grupper burde være i stand til at implementere teknikken uden for mange ekstra omkostninger."