EPFL-onderzoekers hebben een hulpmiddel voor optische beeldvorming ontwikkeld om de oppervlaktechemie in realtime te visualiseren. Ze brachten de grensvlakchemie in beeld in de microscopisch beperkte geometrie van een eenvoudig glazen microcapillair. Het glas is bedekt met hydroxyl (-OH) groepen die een proton kunnen verliezen - een veel bestudeerde chemische reactie die belangrijk is in de geologie, chemie en technologie. Een 100 micron lang capillair vertoonde een opmerkelijke spreiding in de dissociatieconstante van de OH-binding aan het oppervlak van een factor miljard. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

Geologisch, katalytisch, biologische en chemische processen worden aangedreven door oppervlaktechemische heterogeniteiten, elektrostatische velden en stroming. Om deze processen te begrijpen en de verdere ontwikkeling van nieuwe materialen en microtechnologie mogelijk te maken, onderzoekers van EPFL's Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) hebben een microscoop ontworpen die kan volgen, live, driedimensionale ruimtelijke veranderingen in de moleculaire structuur en chemie van beperkte systemen, zoals gebogen oppervlakken en poriën. De microscoop werd gebruikt om de chemische oppervlaktestructuur van de binnenkant van een glazen microcapillair in beeld te brengen. Oppervlaktepotentiaalkaarten werden geconstrueerd uit de millisecondenafbeeldingen, en de chemische reactieconstante van elke 188 nm brede pixel werd bepaald. Verrassend genoeg, dit zeer eenvoudige systeem - dat in veel apparaten wordt gebruikt - vertoonde een opmerkelijke spreiding in oppervlakteheterogeniteit. De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in Science. Hun methode zal een zegen zijn voor het begrijpen van fundamentele (elektro)chemische, geologische en katalytische processen en voor het bouwen van nieuwe apparaten.

Tweede harmonische beeldvorming

Sylvie Roke, directeur van de Julia Jacobi Chair of Photomedicine bij EPFL, heeft een unieke set optische hulpmiddelen ontwikkeld om water- en waterige interfaces op nanoschaal te bestuderen. Ze gebruikt tweede-harmonische en somfrequentiegeneratie, dat zijn optische processen waarbij twee fotonen van een bepaalde kleur worden omgezet in een nieuwe kleur. "Het tweede-harmonische proces omvat 1000 nm femtoseconde fotonen - dat wil zeggen, Lichtflitsen van 0,00000000000001 seconde - omgezet in fotonen van 500 nm, en dit gebeurt alleen bij interfaces, ", zegt Roke. "Het is daarom ideaal voor grensvlakmicroscopie. Helaas, het proces is erg inefficiënt. Maar door een aantal optische trucs te gebruiken, zoals wide field imaging en lichtvorming, we waren in staat om zowel de beeldverwerkingscapaciteit als de resolutie te verbeteren, waardoor de tijd voor het opnemen van een afbeelding wordt teruggebracht van minuten naar 250 milliseconden."

Verrassende oppervlaktechemie

De onderzoekers brachten vervolgens de deprotoneringsreactie van de binnenste silica capillair/water-interface in realtime in beeld. Silica is een van de meest voorkomende mineralen op aarde, en de interactie met water vormt ons klimaat en onze omgeving. Hoewel veel onderzoekers de eigenschappen van het silica/water-grensvlak hebben gekarakteriseerd, er is geen consensus over de chemische reactiviteit ervan. Roke vervolgt:"Onze gegevens laten zien waarom er een opmerkelijke spreiding is in oppervlaktereactiviteit, zelfs op een heel klein deel van een capillair. Onze gegevens zullen helpen bij de ontwikkeling van theoretische modellen die effectiever zijn in het vastleggen van deze verrassende complexiteit. In aanvulling, onze beeldvormingsmethode kan worden gebruikt voor een breed scala aan processen, zoals voor het analyseren van de real-time werking van een brandstofcel, of om te zien welk structureel facet van een mineraal het meest chemisch actief is. Ook zouden we meer inzicht kunnen krijgen in nanokanalen en zowel kunstmatige als natuurlijke poriën.