Begrijpen hoe chemische reacties plaatsvinden op kleine kristallen in vloeibare oplossingen, staat centraal in een verscheidenheid aan gebieden, inclusief materiaalsynthese en heterogene katalyse, maar het verkrijgen van een dergelijk begrip vereist dat wetenschappers reacties observeren terwijl ze zich voordoen.

Door gebruik te maken van coherente röntgendiffractietechnieken, wetenschappers kunnen de uitwendige vorm en spanning in nanokristallijne materialen meten met een hoge mate van precisie. Echter, het uitvoeren van dergelijke metingen vereist nauwkeurige controle van de positie en hoeken van het kleine kristal ten opzichte van de inkomende röntgenstraal. traditioneel, dit betekende het kleven of lijmen van het kristal aan een oppervlak, die op zijn beurt het kristal belast, waardoor de structuur verandert en mogelijk de reactiviteit wordt beïnvloed.

"Met optisch pincet, je kunt een enkel deeltje in zijn oorspronkelijke staat in oplossing vangen en de structurele evolutie ervan bekijken, " zei Linda Jong, Argonne voorname kerel.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of Chicago hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die de kracht van "tractor beams" op nanoschaal combineert met krachtige röntgenstralen, waardoor ze kristallen kunnen positioneren en manipuleren in oplossing die niet in contact komen met substraten.

De trekstraaltechniek staat bekend als "optisch pincet, " waaraan toevallig ook de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018 werd toegekend, omdat het toelaat om monsters te manipuleren met alleen licht.

Terwijl een gewoon optisch pincet een enkele gerichte laserstraal omvat, het holografische optische pincet dat in het onderzoek werd gebruikt, omvat lasers die nauwkeurig zijn aangepast met een ruimtelijke lichtmodulator. Deze lasers worden door een spiegel gereflecteerd om een ​​interferentiepatroon van "hotspots" te creëren die zowel meer gelokaliseerd zijn dan een eenvoudig gefocuste laserstraal als snel herconfigureerbare locaties. De elektrische veldgradiënt van deze gerichte hotspots trekt het polariseerbare kristal aan en houdt het op zijn plaats.

Met een pincet, elk aan één uiteinde van het kristal, konden de wetenschappers van Argonne het halfgeleidermicrokristal met hoge precisie in drie dimensies manipuleren in de aanwezigheid van een vloeibare oplossing en zonder het bloot te stellen aan andere oppervlakken.

"Gebruikelijk, wanneer mensen naar microkristallen kijken met behulp van röntgendiffractie, ze zijn gelijmd op een monsterhouder, wat een vervorming veroorzaakt, " zei Argonne voorname collega Linda Young, een corresponderende auteur over de studie. "Maar nu, met optische pincet, je kunt een enkel deeltje in zijn oorspronkelijke staat in oplossing vangen en de structurele evolutie ervan bekijken. In principe, je kunt reactanten toevoegen, oplossing of reactie vastleggen en veranderingen op atomair niveau volgen."

Door de mogelijkheid te krijgen om het monster te manipuleren met alleen licht, Young en haar collega's konden profiteren van de coherente röntgenstralen geproduceerd door Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Met behulp van een techniek genaamd Bragg coherent diffraction imaging (CDI), de onderzoekers konden de structuur van het kristal onder reële omstandigheden en vanuit verschillende hoeken onderzoeken.

Door een optisch pincet te koppelen aan Bragg CDI, wetenschappers hebben nu een nieuwe manier om materialen in vloeibare media te verkennen, verklaarde Brookhaven National Laboratory (BNL) wetenschapper Yuan Gao, de eerste auteur van de studie. "Onze ontdekking komt van een combinatie van verschillende technieken, waaronder het koppelen van lasers met de coherente straal van de APS, " zei hij. "Om het experiment te laten werken, we hadden de nanofabricagetechniek van het Center for Nanoscale Materials nodig om ook de monstercel te maken." Het Center for Nanoscale Materials (CNM) is ook een DOE Office of Science User Facility.

Volgens Jong, de techniek kan nuttig zijn voor een breed scala aan toekomstige studies, inclusief kiemvorming en kristalgroei. "Typisch, mensen kijken naar geïsoleerde nanokristallijne monsters in lucht of in vacuüm. We wilden dergelijke objecten in de vloeibare fase kunnen besturen. Bijvoorbeeld, we wilden katalyse of kristallisatie in realtime kunnen zien ontvouwen met de precisie die wordt geboden door röntgenkristallografie, " ze zei.

Gao wees op de stabiliteit van het optische pincet als een belangrijk voordeel voor toekomstige coherente röntgenexperimenten. "Coherente diffractie is erg gevoelig voor positie en oriëntatie van het monster, en dit experiment demonstreerde de mogelijkheden van deze nieuwe techniek, " zei hij. Vanwege de stabiliteit van de techniek, onderzoekers waren in staat om coherente diffractiegegevens te verkrijgen, waardoor ze het monster konden reconstrueren met een nauwkeurigheid van minder dan nanometer, het onthullen van sub-nanometerschaaldefecten en korrelgrenzen binnen het ogenschijnlijk kristallijne ZnO-microkristal.

"Als we kijken naar de upgrade van de APS, die de helderheid van de röntgenstralen met orden van grootte zal verhogen, deze metingen zullen veel sneller zijn en nog spannender inzicht geven in hoe monsters in de tijd veranderen, " voegde Ross Harder toe, een Argonne-fysicus bij de APS die een auteur is op het papier.

Eventueel, de onderzoekers willen de techniek uitbreiden om de ultrasnelle evolutie van het kristal vast te leggen wanneer het wordt geëxciteerd door een laserpuls, zei professor scheikunde van de Universiteit van Chicago, Norbert Scherer, een andere auteur van het artikel. "Dit is de eerste stap in het realiseren van onze grotere ambitie, dat is om de tijdsafhankelijke structurele dynamiek te visualiseren van hoe het rooster verandert, " hij zei.

Om het experiment uit te voeren, de onderzoekers vertrouwden op de creatie van microfluïdische componenten bij CNM. Elektrodynamische simulaties werden ook uitgevoerd bij CNM's Carbon high-performance computing-cluster. Onderzoekers van de Universiteit van Chicago brachten hun expertise in over de holografische optische pincettechniek.

Een paper gebaseerd op de studie, "Driedimensionale optische vangst en oriëntatie van microdeeltjes voor coherente röntgendiffractiebeeldvorming, " verscheen in de online editie van 11 februari van de Proceedings van de National Academy of Sciences .