Et mere komplet billede af nano-verdenen

De kan være små og usynlige, siger Xiaoji Xu, men aerosolpartiklerne suspenderet i gasser spiller en rolle i skydannelse og miljøforurening og kan være skadelige for menneskers sundhed.

Aerosolpartikler, som findes i dis, støv og biludstødning, måle i mikron. En mikron er en milliontedel af en meter; et tyndt menneskehår er omkring 30 mikron tykt.

Partiklerne, siger Xu, er blandt de mange materialer, hvis kemiske og mekaniske egenskaber ikke kan måles fuldt ud, før forskerne udvikler en bedre metode til at studere materialer på mikroskala såvel som den meget mindre nanoskala (1 nm er en milliarddel af en meter).

Xu, en adjunkt i kemi, har udviklet en sådan metode og brugt den til at udføre ikke-invasiv kemisk billeddannelse af en række materialer, samt mekanisk kortlægning med en rumlig opløsning på 10 nanometer.

Teknikken, kaldet peak force infrarød (PFIR) mikroskopi, kombinerer spektroskopi og scanning probe mikroskopi. Udover at kaste lys over aerosolpartikler, Xu siger, PFIR vil hjælpe forskere med at studere mikro- og nanoskalafænomener i en række forskellige inhomogene materialer.

"Materialer i naturen er sjældent homogene, " siger Xu. "Funktionelle polymermaterialer består ofte af nanoskala-domæner, der har specifikke opgaver. Cellulære membraner er indlejret med proteiner, der er nanometer store. Der findes nanoskala defekter af materialer, der påvirker deres mekaniske og kemiske egenskaber.

"PFIR-mikroskopi repræsenterer et grundlæggende gennembrud, der vil muliggøre flere innovationer inden for områder lige fra studiet af aerosolpartikler til undersøgelse af heterogene og biologiske materialer, " siger Xu.

Xu og hans gruppe rapporterede for nylig deres resultater i en artikel med titlen "Samtidig kemisk og mekanisk billeddannelse i nanoskala via peak force infrarød mikroskopi." Artiklen blev publiceret i Videnskabens fremskridt , et tidsskrift fra American Association for the Advancement of Science, som også udgiver magasinet Science.

Artiklens hovedforfatter er Le Wang, en ph.d. studerende på Lehigh. Medforfattere omfatter Xu og Lehigh Ph.D. studerende Haomin Wang og Devon S. Jakob, samt Martin Wagner fra Bruker Nano i Santa Barbara, Californien, og Yong Yan fra New Jersey Institute of Technology.

"PFIR-mikroskopi muliggør pålidelig kemisk billeddannelse, samlingen af ​​bredbåndsspektre, og samtidig mekanisk kortlægning i én simpel opsætning med en rumlig opløsning på ~10 nm, " skrev gruppen.

"Vi har undersøgt tre typer repræsentative materialer, nemlig bløde polymerer, perovskit krystaller og bornitrid nanorør, som alle giver en stærk PFIR-resonans til utvetydig nanokemisk identifikation. Mange andre materialer burde også være velegnede til den multimodale karakterisering, som PFIR-mikroskopi har at tilbyde.

" Sammenfattende, PFIR-mikroskopi vil give et kraftfuldt analytisk værktøj til udforskninger på nanoskala på tværs af brede discipliner."

Xu og Le Wang offentliggjorde også en nylig artikel om brugen af ​​PFIR til at studere aerosoler. Med titlen "Nanoskala spektroskopisk og mekanisk karakterisering af individuelle aerosolpartikler ved hjælp af peak force infrarød mikroskopi, " artiklen dukkede op i et "Emerging Investigators"-nummer af Kemisk kommunikation , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry. Xu blev fremhævet som en af ​​de nye efterforskere i spørgsmålet. Artiklen er skrevet sammen med forskere fra University of Macau og City University of Hong Kong, begge i Kina.

PFIR indhenter samtidig kemisk og mekanisk information, siger Xu. Det gør det muligt for forskere at analysere et materiale forskellige steder, og at bestemme dens kemiske sammensætning og mekaniske egenskaber på hvert af disse steder, på nanoskalaen.

"Et materiale er ikke ofte homogent, " siger Xu. "Dens mekaniske egenskaber kan variere fra region til region. Biologiske systemer såsom cellevægge er inhomogene, og det samme er materialer med defekter. Egenskaberne ved en cellevæg måler omkring 100 nanometer i størrelse, placere dem godt inden for rækkevidde af PFIR og dets muligheder."

PFIR har flere fordele i forhold til scanning nærfelt optisk mikroskopi (SNOM), den nuværende metode til at måle materialeegenskaber, siger Xu. Først, PFIR opnår et fyldigere infrarødt spektrum og et skarpere billede - 6-nm rumlig opløsning - af en bredere række af materialer end SNOM. SNOM fungerer godt med uorganiske materialer, men opnår ikke et så stærkt infrarødt signal, som Lehigh-teknikken gør fra blødere materialer såsom polymerer eller biologiske materialer.

"Vores teknik er mere robust, " siger Xu. "Det fungerer bedre med bløde materialer, kemisk såvel som biologisk."

Den anden fordel ved PFIR er, at den kan udføre, hvad Xu kalder punktspektroskopi.

"Hvis der er noget af interesse kemisk på en overflade, " Xu siger, "Jeg satte en AFM [atomic force microscopy] sonde til det sted for at måle peak-force infrarød respons.

"Det er meget vanskeligt at opnå disse spektre med scanningsnærfeltsmikroskopi af nuværende spredningstype. Det kan gøres, men det kræver meget dyre lyskilder. Vores metode bruger en smalbåndet infrarød laser og koster omkring $100, 000. Den eksisterende metode bruger en bredbåndslyskilde og koster omkring $300, 000."

En tredje fordel, siger Xu, er, at PFIR opnår en mekanisk såvel som en kemisk respons fra et materiale.

"Ingen anden spektroskopimetode kan gøre dette, " siger Xu. "Er et materiale stift eller blødt? Er det inhomogent - er det blødt i et område og stift i et andet? Hvordan varierer sammensætningen fra de bløde til de stive områder? Et materiale kan være relativt stift og have én type kemisk sammensætning i et område, og være relativt blød med en anden type sammensætning i et andet område.

"Vores metode opnår samtidig kemisk og mekanisk information. Den vil være nyttig til at analysere et materiale forskellige steder og bestemme dets sammensætning og mekaniske egenskaber på hvert af disse steder, på nanoskala."

En fjerde fordel ved PFIR er dens størrelse, siger Xu.

"Vi bruger en bordlaser til at få infrarøde spektre. Vores er en meget kompakt lyskilde, i modsætning til de meget større størrelser af konkurrerende lyskilder. Vores laser er ansvarlig for at indsamle information om kemisk sammensætning. Vi får mekanisk information fra AFM. Vi integrerer de to typer målinger i én enhed for samtidig at opnå to informationskanaler."

Selvom PFIR ikke virker med flydende prøver, siger Xu, det kan måle egenskaberne af tørrede biologiske prøver, herunder cellevægge og proteinaggregater, opnåelse af en 10-nm rumlig opløsning uden farvning eller genetisk modifikation.