Ny mikrobølgebilledfremgangsmåde åbner en nanoskalavisning af processer i væsker

Den amerikanske regerings nanoteknologiforskere har demonstreret et nyt vindue til at se, hvad der nu for det meste er hemmelige operationer, der finder sted i fugtigt, ugæstfrie riger i nanoverdenen - teknologisk og medicinsk vigtige processer, der finder sted ved grænserne mellem væsker og faste stoffer, såsom i batterier eller langs cellemembraner.

Den nye tilgang til mikrobølgebilleddannelse overtrumfer røntgen- og elektronbaserede metoder, der kan beskadige sarte prøver og mudrede resultater. Og det skåner dyrt udstyr fra at blive udsat for væsker, samtidig med at det eliminerer behovet for at hærde sonder mod ætsende, giftig, eller andre skadelige miljøer.

Skriver i journalen ACS Nano , samarbejdspartnerne - fra Center for Nanoscale Science and Technology ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - beskriver deres nye tilgang til billeddannelse af reaktive og biologiske prøver på nanoskalaniveauer under realistiske betingelser.

Nøgleelementet er et vindue, en ultratynd membran, der adskiller den nålelignende sonde af et atomkraftmikroskop (AFM) fra den underliggende prøve, holdes i små beholdere, der opretholder et konsistent væske- eller gasmiljø. Tilføjelsen forvandler nærfelts mikrobølgebilleddannelse til et alsidigt værktøj, forlænger dens anvendelse ud over halvlederteknologi, hvor det bruges til at studere faste strukturer, til et nyt rige af væsker og gasser.

"De ultratynde, mikrobølge-transparent membran gør det muligt at undersøge prøven på nogenlunde samme måde som Jordens radar blev brugt til at afsløre billeder af Venus overflade gennem dens uigennemsigtige atmosfære, " forklarede NIST-fysiker Andrei Kolmakov.

"Vi genererer mikrobølger i spidsen - eller helt i enden - af sondespidsen, " sagde Kolmakov. "Mikrobølgerne trænger gennem membranen et par hundrede nanometer dybt ned i væsken op til objektet af interesse. Mens spidsen scanner prøven fra tværs af membranen, vi optager de reflekterede mikrobølger for at generere billedet."

Mikrobølger er meget større end de nanoskalaobjekter, de er vant til at "se". Men når den udsendes fra kun en lille afstand væk, nærfeltsmikrobølger reflekteret fra en prøve giver et overraskende detaljeret billede.

I deres proof-of-concept eksperimenter, NIST-ORNL-teamet brugte deres hybridmikroskop til at få et nanoskalabillede af de tidlige stadier af en sølvgalvaniseringsproces. Mikrobølgebilleder fangede den elektrokemiske dannelse af forgrenede metalklynger, eller dendritter, på elektroder. Funktioner næsten så små som 100 nanometer (milliarddele af en meter) kunne skelnes.

Lige så vigtigt, lavenergimikrobølgerne var for svage til at afbryde kemiske bindinger, varme, eller på andre måder forstyrre den proces, de blev brugt til at fange i billeder. I modsætning, et scanningselektronmikroskop, der blev brugt til at optage den samme galvaniseringsproces ved sammenlignelige opløsningsniveauer, gav billeder, der viste delaminering og andre ødelæggende virkninger af elektronstrålen.

Holdet rapporterer lignende succes med at bruge deres AFM-mikrobølgeopsætning til at optage billeder af gærceller spredt i vand eller glycerol. Niveauer af rumlig opløsning var sammenlignelige med dem, der blev opnået med et scanningselektronmikroskop, men igen, var fri for skader forårsaget af elektronstrålen.

I deres eksperimenter, holdet brugte membraner - lavet af enten siliciumdioxid eller siliciumnitrid - der varierede i tykkelse fra 8 nanometer til 50 nanometer. De fandt, imidlertid, at jo tyndere membranen er, desto bedre er opløsningen - ned til titalls nanometer - og jo større sonderingsdybde - op til hundredvis af nanometer.

"Disse tal kan forbedres yderligere med tuning og udvikling af bedre elektronik, " sagde Kolmakov.

Ud over at studere processer i reaktive, giftig, eller radioaktive miljøer, forskerne foreslår, at deres mikrobølge-billeddannelsesmetode kan integreres i "lab-on-a-chip" fluidiske enheder, hvor den kan bruges til at prøve væsker og gasser.