CLAIRE bringer elektronmikroskopi til bløde materialer

Blødt stof omfatter en bred vifte af materialer, herunder væsker, polymerer, geler, skum og - vigtigst af alt - biomolekyler. Kernen i bløde materialer, der styrer deres overordnede egenskaber og muligheder, er interaktionerne mellem komponenter i nanostørrelse. At observere dynamikken bag disse interaktioner er afgørende for at forstå vigtige biologiske processer, såsom proteinkrystallisering og metabolisme, og kunne bidrage til at fremskynde udviklingen af ​​vigtige nye teknologier, såsom kunstig fotosyntese eller højeffektive fotovoltaiske celler. At observere disse dynamikker ved tilstrækkelig opløsning har været en stor udfordring, men denne udfordring bliver nu mødt med en ny ikke-invasiv nanoskala billeddannelsesteknik, der går under forkortelsen CLAIRE.

CLAIRE står for "katodoluminescensaktiveret billeddannelse ved resonant energioverførsel." Opfundet af forskere fra US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley, CLAIRE udvider den utrolige opløsning af elektronmikroskopi til dynamisk billeddannelse af blødt stof.

"Traditionel elektronmikroskopi beskadiger bløde materialer og er derfor hovedsageligt blevet brugt til at levere topografiske eller sammensatte oplysninger om robuste uorganiske faste stoffer eller faste sektioner af biologiske prøver, "siger kemiker Naomi Ginsberg, der leder CLAIREs udvikling. "CLAIRE giver os mulighed for at konvertere elektronmikroskopi til en ny ikke-invasiv billeddannelsesmetode for at studere bløde materialer og levere spektralspecifik information om dem på nanoskalaen."

Ginsberg har aftaler med Berkeley Labs Physical Biosciences Division og dets Materials Sciences Division, samt UC Berkeleys afdelinger for kemi og fysik. Hun er også medlem af Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) i Berkeley. Hun og hendes forskergruppe demonstrerede for nylig CLAIRE's billeddannelsesevner ved at anvende teknikken på aluminium nanostrukturer og polymerfilm, der ikke umiddelbart kunne have været afbildet med elektronmikroskopi.

"Hvilke mikroskopiske defekter i molekylære faste stoffer giver anledning til deres funktionelle optiske og elektroniske egenskaber? Ved hvilken potentielt kontrollerbare proces dannes sådanne faste stoffer fra deres individuelle mikroskopiske komponenter, i første omgang i løsningsfasen? Svarene kræver, at man observerer dynamikken i elektroniske excitationer eller molekylerne selv, når de udforsker rumligt heterogene landskaber i kondenserede fasesystemer, "Ginsberg siger." I vores demonstration, vi opnåede optiske billeder af aluminium nanostrukturer med 46 nanometer opløsning, validerede derefter CLAIREs ikke-invasivitet ved at afbilde en konjugeret polymerfilm. Den høje opløsning, hastighed og ikke-invasivitet, vi demonstrerede med CLAIRE, positionerer os til at transformere vores nuværende forståelse af vigtige biomolekylære interaktioner. "

CLAIRE fungerer ved i det væsentlige at kombinere de bedste egenskaber ved optisk og scannende elektronmikroskopi til en enkelt billedplatform. Scannende elektronmikroskoper bruger elektronstråler frem for lys til belysning og forstørrelse. Med meget kortere bølgelængder end fotoner af synligt lys, elektronstråler kan bruges til at observere objekter hundredvis af gange mindre end dem, der kan løses med et optisk mikroskop. Imidlertid, disse elektronstråler ødelægger de fleste former for blødt stof og er ude af stand til spektralt specifik molekylær excitation.

Ginsberg og hendes kolleger kommer uden om disse problemer ved at anvende en proces kaldet "katodoluminescens, "hvor en ultratynd scintillationsfilm, omkring 20 nanometer tyk, sammensat af cerium-dopet yttriumaluminiumperovskit, indsættes mellem elektronstrålen og prøven. Når den scintillerende film exciteres af en lavenergi-elektronstråle (ca. 1 KeV), den udsender energi, der overføres til prøven, får prøven til at stråle. Denne luminescens registreres og korreleres til elektronstrålepositionen for at danne et billede, der ikke er begrænset af den optiske diffraktionsgrænse.

At udvikle den scintillerende film og integrere den i en mikrochip -billeddannelsesenhed var en enorm opgave, Ginsberg siger, og hun krediterer sin talentgruppes "talent og dedikation" for succesen. Hun giver også megen kredit til personalet og mulighederne i Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hvor demonstrationen af ​​CLAIRE blev gennemført.

"Molekylært støberi satte virkelig CLAIRE -billeddannelse i stand til at komme til live, "siger hun." Vi samarbejdede med personaleforskere der for at designe og installere et højeffektivt lysopsamlingsapparat i et af støberiets scanningselektronmikroskoper, og deres råd og input var fantastisk. At vi kan samarbejde med Foundry -forskere om at ændre instrumenteringen og forbedre dens muligheder ikke kun for vores egne eksperimenter, men også for andre brugere, er unikt. "

Selvom der stadig er mere arbejde at gøre for at gøre CLAIRE bredt tilgængelig, Ginsberg og hendes gruppe går videre med yderligere forbedringer til flere specifikke applikationer.

"Vi er interesseret i ikke-invasivt billeddannelse af bløde funktionelle materialer som de aktive lag i solceller og lysemitterende enheder, "siger hun." Det er især sandt inden for organiske og organiske/uorganiske hybrider, at morfologien for disse materialer er kompleks og kræver nanoskalaopløsning for at korrelere morfologiske træk til funktioner. "

Ginsberg og hendes gruppe arbejder også på at skabe flydende celler til at observere biomolekylære interaktioner under fysiologiske forhold. Da elektronmikroskoper kun kan fungere i et højt vakuum, som molekyler i luften forstyrrer elektronstrålen, og da væsker fordamper i højt vakuum, vandige prøver skal enten frysetørres eller hermetisk forsegles i specielle celler.

"Vi har brug for flydende celler for at CLAIRE kan studere den dynamiske organisering af lyshøstende proteiner i fotosyntetiske membraner, "Ginsberg siger." Vi burde også kunne udføre andre undersøgelser inden for membranbiofysik for at se, hvordan molekyler diffunderer i komplekse miljøer, og vi vil gerne kunne studere molekylær genkendelse på enkeltmolekylniveau. "

Ud over, Ginsberg og hendes gruppe vil bruge CLAIRE til at studere dynamikken i nanoskala systemer til bløde materialer generelt.

"Vi ville elske at være i stand til at observere krystallisationsprocesser eller se et materiale fremstillet af nanoskala -komponenter, der annealer eller undergår en faseovergang, "siger hun." Vi ville også elske at kunne se det elektriske dobbeltlag på en ladet overflade, når det udvikler sig, da dette fænomen er afgørende for batteri videnskab. "

Et papir, der beskriver det seneste arbejde med CLAIRE, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver . Papiret har titlen "Cathodoluminescence-Activated Nanoimaging:Noninvasive Near-Field Optical Microscopy in a Electron Microscope." Ginsberg er den tilsvarende forfatter. Andre forfattere er Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz og Darell Schlom.