Tilpasning af nanovidenskabs billedværktøjer til at studere myrer varmeafbøjende tilpasninger

De bittesmå hår af sølvmyrer i Sahara besidder afgørende adaptive egenskaber, der gør det muligt for myrerne at regulere deres kropstemperaturer og overleve de brændende varme forhold i deres ørkenhabitat. Ifølge et nyt forskningsartikel offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , den unikke trekantede form og indre struktur af hårene spiller en central rolle for at opretholde myrens gennemsnitlige indre temperatur under det kritiske termiske maksimum på 53,6 grader Celsius (128,48 grader Fahrenheit) det meste af tiden trods middagstemperaturer i Sahara, der kan nå op til 70 ° C (158 ° F).

Papiret, udgivet af forskere og samarbejdspartnere fra Columbia Engineering-herunder forskere fra US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory-beskriver, hvordan hårets nanoskala-struktur hjælper med at øge reflekteringen af ​​myrens krop i både synlige og nær-infrarøde bølgelængder, så insekterne kan aflede solstråling, som deres kroppe ellers ville absorbere. Hårene øger også emissivitet i det mellem-infrarøde spektrum, tillader varme at spredes effektivt fra myrenes varme krop til det kølige, skyfri himmel. Columbia Engineering har mere om forskernes fund.

For at undersøge, hvordan hårene tillader skabninger at styre elektromagnetiske bølger på denne måde, Columbia Engineering research team ledet af Nanfang Yu havde brug for at se inde i disse nanoskala strukturer og forstå deres funktioner. De henvendte sig til de ressourcer og ekspertise, der er til rådighed på Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet på nærliggende Long Island.

Arbejde med og modtage uddannelse fra CFN's Fernando Camino, en medforfatter til artiklen i Science, og Matthew Sfeir, Yus gruppe udførte billeddannelsesundersøgelser ved hjælp af CFN's Dual Scanning Electron Microscope (SEM)/Focused Ion Beam (FIB) system og Fourier Transform Spectrometer/Microscope. For systemet med dobbelt stråle, Camino arbejdede direkte med papirets hovedforfatter, Norman Nan Shi.

"Mit bidrag var at træne Shi til at bruge dette værktøj og give ham muligheden for at lege med parametrene, indtil det lykkedes os at karakterisere strukturen af ​​dette hår, "Sagde Camino.

I et typisk forsøg med biologisk materiale, såsom nanoskalahår, det ville normalt være tilstrækkeligt at bruge et elektronmikroskop til at skabe et billede af prøvens overflade. Denne forskning, imidlertid, krævede Yus gruppe at kigge inde i myrhårene og producere et tværsnit af strukturens indre. Den relativt svage elektronstråle fra et standardelektronmikroskop ville ikke kunne trænge ind i overfladen af ​​prøven.

CFN's dobbeltstrålesystem løser problemet ved at kombinere billeddannelse af et elektronmikroskop med en meget mere kraftfuld stråle af galliumioner. Med 31 protoner og 38 neutroner, hver galliumion er omkring 125, 000 gange mere massiv end en elektron, og massiv nok til at skabe buler i nanoskala strukturen - som at kaste en sten mod en væg. Forskerne brugte disse kraftige bjælker til at bore præcise snit i hårene, afslører de afgørende oplysninger, der er skjult under overfladen. Ja, denne særlige applikation, hvor systemet blev brugt til at undersøge et biologisk problem, var nyt for teamet på CFN.

"Konventionelt, dette værktøj bruges til at producere tværsnit af mikroelektroniske kredsløb, "sagde Camino." Den fokuserede ionstråle er som et ætsningsværktøj. Du kan tænke på det som et fræseværktøj i en maskinforretning, men i nanoskalaen. Det kan fjerne materiale på bestemte steder, fordi du kan se disse steder med SEM. Så lokalt fjerner du materiale, og du ser på de underliggende lag, fordi nedskæringerne giver dig adgang til tværsnittet af det, du vil se på. "

Myrhårforskningen udfordrede CFN -teamet til at komme med nye løsninger til at undersøge de indre strukturer uden at skade de mere sarte biologiske prøver.

"Disse hår er meget bløde i forhold til, sige, halvledere eller krystallinske materialer. Og der er meget lokal varme, der kan skade biologiske prøver. Så parametrene skal justeres omhyggeligt for ikke at gøre meget skade på det, "sagde han." Vi var nødt til at tilpasse vores teknik for at finde de rigtige forhold. "

En anden udfordring lå i håndteringen af ​​den såkaldte ladeeffekt. Når dobbeltstrålesystemet trænes i et ikke-ledende materiale, elektroner kan bygge op på det punkt, hvor bjælkerne rammer prøven, forvrænger det resulterende billede. Teamet på CFN var i stand til at løse dette problem ved at placere tynde lag guld over det biologiske materiale, gør prøven bare ledende nok til at undgå opladningseffekten.

Afslørende refleksion

Mens Caminos team fokuserede på at hjælpe Yus gruppe med at undersøge strukturen af ​​myrhårene, Matthew Sfeirs arbejde med Fourier transform optisk spektroskopi med høj lysstyrke var med til at afsløre, hvordan hårets reflektivitet hjalp sølvmyrer fra Sahara med at regulere temperaturen. Sfeirs spektrometer afslørede præcist, hvor meget de biologiske strukturer reflekterer lys over flere bølgelængder, herunder både synligt og nær-infrarødt lys.

"Det er en multiplekset måling, "Sfeir sagde, forklarer sit teams spektrometer. "I stedet for at indstille denne bølgelængde og denne bølgelængde, den bølgelængde, du gør dem alle i ét slag for at få alle de spektrale oplysninger i ét skud. Det giver dig meget hurtige målinger og meget god opløsning spektralt. Derefter optimerer vi det til meget små prøver. Det er en ret unik mulighed for CFN. "

Sfeirs spektroskopi arbejde trækker på viden opnået fra hans arbejde på en anden vigtig Brookhaven facilitet:den originale National Synchrotron lyskilde, hvor han lavede meget af sit postdoc -arbejde. Hans erfaring var særlig nyttig i analysen af ​​de biologiske strukturers reflektivitet på tværs af mange forskellige bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum.

"Denne teknik blev udviklet ud fra min erfaring med at arbejde med de infrarøde synkrotronstråler, "sagde Sfeir." Synchrotron beamlines er optimeret til præcis denne slags. Jeg troede, 'Hej, ville det ikke være fantastisk, hvis vi kunne udvikle en lignende måling for den type solcelleanordninger, vi laver på CFN? ' Så vi byggede en bænk-top-version til brug her. "

Det er den evne til at tage viden fra ét domæne og anvende det andre steder - ofte på uventede måder - der gør det muligt for eksterne brugere at komme til Brookhaven med nye forskningsspørgsmål, samarbejde med eksperterne på CFN for at finde ud af, hvordan de skal tackle disse spørgsmål, og gå med de efterspurgte svar.

"På CFN, vores formål er at bringe brugerne til det punkt, hvor de kan lave deres egen forskning, blive uafhængig, "Camino sagde." Det er vores filosofi:Vi bringer de værktøjer og den viden, som brugerne har brug for, så de kan fortsætte med at arbejde selvstændigt. "