Avanceret mikroskopiteknik afslører nye aspekter af vand på nanoskalaniveau

En ny mikroskopiteknik udviklet ved University of Illinois i Chicago gør det muligt for forskere at visualisere væsker på nanoskalaniveau - omkring 10 gange mere opløsning end med traditionel transmissionselektronmikroskopi - for første gang.

Ved at fange små mængder væske mellem to todimensionelle lag bornitrid, væskeprøven kan afbildes i ekstrem høj opløsning ved hjælp af et traditionelt transmissionselektronmikroskop og spektroskopiteknikker. Denne tilgang kunne give information om individuelle molekylers vibrationstilstand.

Den nye teknik kan bruges til at følge sporstoffer i nanoskala, der bruges i biologisk forskning, og at visualisere processer ved væske-faststof grænseflader med hidtil uset opløsning. Ved hjælp af deres specialiserede prøveholder, eller bornitrid flydende celle, forskerne beskriver unikke egenskaber ved vand og tungt vand på nanoskalaniveau. De rapporterer deres resultater i journalen Avancerede materialer .

"Selvom det kan virke mærkeligt at fokusere på noget så tilsyneladende velforstået som vand, der er stadig ting, vi ikke forstår, når det er begrænset til nanoskalaen, " sagde Robert Klie, UIC professor i fysik og seniorforfatter af papiret. "Så mange anvendelser inden for energi, katalyse, kemi og biologi afhænger af nanoskala-interaktioner i vand, som vi ikke har været i stand til at visualisere ved hjælp af aktuelt tilgængelige måleteknikker."

"Ved at bruge vores specialiserede celle, vi kan se på vandets vibrationsadfærd og begynde at udforske, hvordan det virker i ekstremt små mængder indespærret i bornitridlagene, " sagde Jacob Jokisaari, den korresponderende forfatter til papiret og en post-doc forsker i afdelingen for fysik ved UIC.

Først, forskerne skulle løse problemet med, hvordan man isolerer små mængder væske som forberedelse til scanningstransmissionselektronmikroskopi, som bruger en fokuseret stråle af elektroner til at afbilde prøver. Normalt, prøver skal fryses eller indkapsles i epoxy og derefter skæres supertynde, før de placeres under elektronstrålen, hvor brugeren kun har et par sekunder til at tage billeder af prøven, før den fordamper.

"Vi ville se på små mængder væske, og vi henvendte os til nanomaterialer for at indkapsle og understøtte væsken uden at påvirke målingerne, " sagde Klie. "Fordi de todimensionelle materialer kun består af et lag af atomer, de påvirker knap den elektronstråle, der bruges til at afbilde væsken, alligevel er de stærke nok til at holde væskeboblen inde i mikroskopets vakuum."

Efter at have testet flere todimensionelle materialer, forskerne sluttede sig til nanolag af bornitrid. Dette materiale var i stand til at indeholde vandmolekylerne og er gennemsigtigt for den infrarøde stråling, der genereres af de vibrerende vandmolekyler. Men fremskridtet gik langsomt.

"Dette er ekstremt små og skrøbelige stykker materiale - det tog måneder at lære at holde og manipulere dem, " sagde Klie.

Det tog næsten fire år for holdet at kunne smøre vand, og dens fætter, tungt vand, ind mellem bornitridlagene og få det på plads i universitetets transmissionselektronmikroskop.

"Vi kunne komme ned til omkring 350 milli-elektronvolts energiopløsning med vores mikroskop, men vi vidste, at vi havde brug for bedre opløsninger for at måle vands vibrationsegenskaber. Vi havde brug for adgang til et bedre mikroskop, " sagde Klie. En elektronvolt er en måleenhed, der kan bruges til at beskrive energien af ​​vibrerende partikler.

Holdet tog deres bornitridcelle til Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, hvor forskere ved Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science brugerfacilitet, har adgang til et scanningstransmissionselektronmikroskop med en af ​​verdens bedste energiopløsninger. Ved at bruge det mikroskop, Klie og kolleger var i stand til at se, at når de blev isoleret i små mængder, vand opfører sig anderledes.

"Vi så, at der var et skift i dens vibrationsfrekvens, når den var indespærret i små mængder i vores celle, " sagde Jordan Hachtel, en post-doc forsker ved Oak Ridge National Laboratory og forfatter til papiret.

Normalt, vand i store mængder vibrerer ved 420 milli-elektronvolt, men Klie var vidne til, at vand fanget i hans celle vibrerede ved 406 milli-elektronvolt.

Forskerne brugte elektronmikroskopet med høj energiopløsning til også at visualisere tungt vand - hvor i stedet for to brintatomer bundet til et oxygenatom, hydrogenerne erstattes med deuterium, som er tungere end brint. Tungt vand bruges ofte til at mærke molekyler af interesse i eksperimenter. Mens det har været muligt at identificere placeringen af ​​tungt vand i celler, det er aldrig før blevet visualiseret med det opløsningsniveau, som Klies nye teknik giver.

Tidligere arbejde ser på vands elektrokemi på makro- eller mikrometerniveau, hvor ejendomme er gennemsnittet ud over et stort volumen. Men elektrokemiske reaktioner ser meget anderledes ud, når de undersøges i en tilstrækkelig lille skala.

"Måler, hvordan vand binder og interagerer med andre stoffer, såsom ved en grænseflade, hvor vand rører noget andet, eller interaktioner, der finder sted i vand, såsom korrosion af metaller, har været umuligt på nanoskala niveau indtil nu, " sagde Jokisaari. "Dette arbejde baner vejen for undersøgelse af elektrokemi og atomniveau, hvor teori baseret på computermodellering er gået langt forud for eksperimentelle teknikker."

"Denne nye elektronmikroskopi-teknik giver os mulighed for at se fysiske og kemiske processer, der foregår i et flydende miljø på nanoskalaniveau - langt mindre volumener end hvad der kan måles med andre aktuelt tilgængelige metoder, " sagde Klie. "I så små skalaer, opførsel af noget, vi tænker på som grundlæggende, som vand, ændringer som individuelle atombindinger, lokale elektriske felter og overfladens nærhed begynder at påvirke dens normale adfærd."