Een enkele streng DNA. De giftige verontreinigende stoffen in een vleugje lucht. Een verfmonster van een onbetaalbaar kunstwerk. Vlokken van een Mars-meteoriet. Dat is slechts een fractie van wat wetenschappers zullen kunnen onderzoeken met de nieuwe microscoop - een atoomkracht-Raman-microscoop, om precies te zijn - nu gehuisvest in het Lammot du Pont Laboratory van de Universiteit van Delaware.

"UD is verheugd om deze belangrijke en ultramoderne nieuwe tool toe te voegen aan onze reeks instrumenten voor het onderzoeken van materialen met hoge resolutie, " zei Charles G. Riordan, vice-president voor onderzoek, beurs en innovatie. "Met dit vermogen UD-faculteit, studenten en medewerkers zullen in staat zijn om onderzoek en onderwijs vooruit te helpen op een breed scala van gebieden, van techniek tot natuurwetenschappen tot kunstconservering."

De nieuwe microscoop zal onderzoekers helpen te gaan waar ze voorheen niet konden. Eerdere scopes hadden gewoon niet de superhoge resolutie en chemie-onthullende kracht die deze heeft.

"Met deze microscoop kunnen wetenschappers objecten 10 zien, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar - plus gedetailleerde informatie over zowel het oppervlak van een materiaal als de chemie ervan, " zei Karl Booksh, hoogleraar scheikunde en biochemie en de drijvende kracht achter het succesvolle voorstel van UD aan de National Science Foundation. NSF kwam door met een $558, 228 subsidie ​​van zijn Major Research Instrumentation en Chemistry Research Instrumentation-programma's en het Established Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR). Het UD Research Office hielp ook mee in de kosten van het instrument, die werd gekocht van Horiba, een toonaangevende leverancier van analytische en wetenschappelijke meetsystemen.

Deze nieuwe tool is een "wetenschappelijke twofer, " twee microscopen in één combineren. Een Raman-microscoop, genoemd naar de overleden Indiase natuurkundige en Nobelist Sir Chandrashekhara Venkata Raman, scant een monster met een laser, interactie met de trillingen van het molecuul van belang, het licht verstrooien. Deze lichtpatronen dienen als "vingerafdrukken" voor het identificeren van de moleculen en voor het bestuderen van hun chemische bindingen en mate van interactiviteit met andere moleculen.

Een atoomkrachtmicroscoop scant een monster met een kleine sonde die informatie over het oppervlak oplevert, zoals de topografie, hardheid, elektrische en thermische eigenschappen. Deze sonde, in goud getipt, is bijna "atomair scherp, " wat betekent dat het vrijwel in staat is om een ​​enkel atoom te detecteren.

Het combineren van beide technieken binnen een enkele microscoop levert tegelijkertijd een schat aan informatie op. En dat is belangrijk voor een aantal onderzoeken aan de hele universiteit en met branchegenoten, evenals samenwerkende instellingen zoals Winterthur Museum.

De scope aan het werk zetten

Tijdens de zomer van 2019, promovendus Devon Haugh en student Savannah Talledo, een Wofford College-student die deelneemt aan het door de NSF gefinancierde Science and Engineering Leadership Initiative bij UD, gebruikte de nieuwe microscoop om luchtverontreinigende stoffen te bestuderen. Kleine gasdeeltjes uit de uitlaatgassen van voertuigen en roet dat vrijkomt bij het verbranden van steenkool kunnen de klimaatverandering aanwakkeren en het risico op astma vergroten, longziekte, hartaandoeningen en andere gezondheidsproblemen. De microscoop hielp om de zuurgraad van de zwevende deeltjes te bepalen, wat van invloed is op hoe snel ze in de atmosfeer zullen groeien.

"Het begrijpen van de zuurgraad kan ons helpen de voorspellingen te verbeteren van hoe deeltjes in de lucht de menselijke gezondheid en het klimaat beïnvloeden, " zei Murray Johnson, hoogleraar scheikunde en biochemie, wie het project leidt. "In een conventioneel laboratorium, zuurgraad wordt gemeten met een pH-meter. Echter, die aanpak werkt niet voor in de lucht zwevende deeltjes op submicrometerschaal, vandaar de behoefte aan nieuwe meetmethoden zoals de Raman-microsonde."

Haugh was blij dat ze toegang had tot het nieuwe instrument voor haar werk.

"Ik geef om de gezondheid van ons milieu, "zei ze. "Met dit project kan ik bijdragen aan een beter begrip en bescherming ervan."

Experts van Winterthur's Scientific Research and Analysis Lab zullen de microscoop richten op de waardevolle collecties historisch textiel van het museum, evenals zijn Chinese exportschilderijen uit de 18e en 19e eeuw, volgens Jocelyn Alcántara-García, universitair docent en een medeonderzoeker over de subsidie. In de eerste helft van de 19e eeuw, met de toename van de buitenlandse handel door de opening van havens in China, een groot aantal westerse synthetische chemische pigmenten werden in China geïmporteerd. Het duurde niet lang, deze door de mens gemaakte pigmenten vervingen de minerale en plantaardige pigmenten die Chinese schilders traditioneel in hun kunstwerken gebruikten, van aquarellen tot omgekeerd beschilderd glas. De nieuwe microscoop zal natuurwetenschappers helpen om deze overgangsperiode beter te begrijpen.

Alcántara-García zei dat ze het instrument zal gebruiken om de fixeermiddelen te begrijpen die werden gebruikt om de kleurstof in historisch textiel te fixeren. die textielrestauratoren en andere museumprofessionals zullen helpen bij het bepalen van degradatiemechanismen en mogelijke interventies.

Uitdagingen op aarde en Mars oplossen

Nutsvoorzieningen, over die meteorieten … in een samenwerking die begon toen hij tien jaar geleden bij de faculteit van de UD kwam, Booksh werkt samen met Merck senior wetenschapper Joseph P. Smith, die promoveerde in analytische chemie aan de UD, en met Marietta College-professor Frank Smith, die promoveerde in de geologie aan de UD, om enkele van de geheimen van de planeten te ontrafelen door middel van aanwijzingen van de maan, Mars- en asteroïde meteorieten. De monsters kwamen met goede autoriteit naar het team - van NASA's Johnson Space Center en van het Smithsonian.

De primaire interesse van het team is de chemische samenstelling en eigenschappen van deze rotsen, die "schokzakken" bevatten die zijn ontstaan ​​​​door al het breken en smelten dat plaatsvond toen ze de grond raakten. Hun chemie kan helpen de geologie en atmosferen van hun thuisplaneten te onthullen. Smith zei dat het werk ook zou kunnen helpen bij het zoeken naar leven op Mars in de rover-missies van NASA en het European Space Agency in 2020.

"De NASA- en ESA-rovers hebben beide, Voor de eerste keer, Raman-spectrometers om oppervlaktematerialen van Mars te karakteriseren, " zei Smith. "Als zodanig, ons onderzoek naar meteorieten kan de zoektocht naar leven op Mars helpen verbeteren door optimale methoden voor het verzamelen en analyseren van gegevens te ontwikkelen."

Booksh en Smith werken ook aan andere intrigerende problemen hier op aarde - als medewerkers van Merck &Co. Inc. en UD-projecten gericht op farmaceutische toepassingen. Het team zal polymorfisme in de ontwikkeling van geneesmiddelen onderzoeken - het vermogen van een vaste stof om in twee of meer kristallijne vormen te bestaan, elk met enorm verschillende fysische en chemische eigenschappen. Polymorfen zijn van bijzonder belang voor de geneesmiddelenindustrie omdat een van deze vormen giftig kan zijn, en meer dan 50 procent van de actieve farmaceutische ingrediënten heeft meer dan één polymorf.

"We hopen de volgende generatie analytische technieken te ontwikkelen die zullen helpen bij het oplossen van deze complexe uitdagingen waarmee de farmaceutische industrie wordt geconfronteerd, ' zei Smit.