Onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) hebben een nieuwe techniek bedacht - met behulp van een koolstoflaag van slechts één atoom dik - om de structuur van moleculen te visualiseren. De techniek, die werd gebruikt om de eerste directe beelden te verkrijgen van hoe water oppervlakken bedekt bij kamertemperatuur, kan ook worden gebruikt om een ​​potentieel onbeperkt aantal andere moleculen in beeld te brengen, inclusief antilichamen en andere biomoleculen.

Een paper waarin de methode en de studies van waterlagen worden beschreven, verschijnt in het nummer van 3 september van het tijdschrift Wetenschap .

"Bijna alle oppervlakken hebben een laagje water, " zegt James Heath, de Elizabeth W. Gillon Professor en professor in de chemie aan Caltech, "en dat water de grensvlakeigenschappen domineert" - eigenschappen die de slijtage op dat oppervlak beïnvloeden. Hoewel oppervlaktecoatings van water alomtegenwoordig zijn, ze zijn ook erg moeilijk om te studeren, omdat de watermoleculen "constant in beweging zijn, en niet lang genoeg stil zitten om metingen toe te staan, " hij zegt.

Heel toevallig, Heath en zijn collega's ontwikkelden een techniek om de bewegende moleculen vast te pinnen, onder kamertemperatuur omstandigheden. "Het was een gelukkig ongeluk - een waarvan we slim genoeg waren om de betekenis ervan te erkennen, " zegt hij. "We bestudeerden grafeen op een atomair vlak oppervlak van mica en vonden enkele eilandvormige structuren op nanoschaal die vastzaten tussen het grafeen en het mica die we niet hadden verwacht te zien."

grafeen, die is samengesteld uit een één atoom dikke laag koolstofatomen in een honingraatachtig rooster (zoals kippengaas, maar op atomaire schaal), moet volledig vlak zijn wanneer gelaagd op een atomair vlak oppervlak. Heath en zijn collega's - voormalig Caltech-afgestudeerde student Ke Xu, nu aan de Harvard-universiteit, en afgestudeerde student Peigen Cao - dacht dat de anomalieën water zouden kunnen zijn, gevangen en gevangen onder het grafeen; water moleculen, ten slotte, zijn overal.

Om het idee te testen, de onderzoekers voerden andere experimenten uit waarbij ze de grafeenvellen bij verschillende vochtigheidsniveaus deponeerden. De vreemde structuren kwamen vaker voor bij hogere luchtvochtigheid, en verdwenen onder volledig droge omstandigheden, wat de onderzoekers ertoe bracht te concluderen dat het inderdaad watermoleculen waren die door het grafeen waren bedekt. Heath en zijn collega's realiseerden zich dat de grafeenplaat "atomair conform" was - het omhelsde de watermoleculen zo stevig, bijna als krimpfolie, dat het hun gedetailleerde atomaire structuur onthulde wanneer het werd onderzocht met atomaire krachtmicroscopie. (Atoomkrachtmicroscopen gebruiken een mechanische sonde om de oppervlakken van objecten in wezen te "voelen".)

"De techniek is doodeenvoudig - het is nogal opmerkelijk dat het werkt, "zegt Heath. De methode, hij legt uit, "Het lijkt een beetje op hoe mensen koolstof of goud op biologische cellen sputteren, zodat ze ze kunnen afbeelden. De koolstof of het goud fixeert de cellen. Hier, het grafeen vormt een perfecte sjabloon voor de zwak geadsorbeerde watermoleculen op het oppervlak en houdt ze op hun plaats, voor ten minste een paar maanden."

Met behulp van de techniek, de onderzoekers onthulden nieuwe details over hoe water oppervlakken bedekt. Ze ontdekten dat de eerste laag water op mica eigenlijk twee watermoleculen dik is, en heeft de structuur van ijs. Zodra die laag volledig is gevormd, een seconde, twee moleculen dikke laag ijs vormt. Daarbovenop, "je krijgt druppeltjes, "zegt Heath. "Het is echt verbazingwekkend dat de eerste twee geadsorbeerde waterlagen ijsachtige microscopisch kleine eilanden vormen bij kamertemperatuur, " zegt Xu. "Deze fascinerende structuren zijn waarschijnlijk belangrijk bij het bepalen van de oppervlakte-eigenschappen van vaste stoffen, inclusief, bijvoorbeeld, smering, hechting, en corrosie."

De onderzoekers hebben sindsdien met succes andere moleculen getest op andere soorten atomair vlakke oppervlakken - zo'n vlakheid is nodig zodat de moleculen zich niet nestelen in onvolkomenheden in het oppervlak, hun structuur vervormen zoals gemeten door de grafeenlaag. "We moeten nog een systeem vinden waarvoor dit niet werkt, ", zegt Heath. Hij en zijn collega's werken nu aan het verbeteren van de resolutie van de techniek, zodat deze kan worden gebruikt om de atomaire structuur van biomoleculen zoals antilichamen en andere eiwitten in beeld te brengen. "We hebben eerder individuele atomen in grafeen waargenomen met behulp van de scanning tunneling microscoop, "zegt Cao. "Een vergelijkbare resolutie zou ook haalbaar moeten zijn voor met grafeen bedekte moleculen."

"We zouden grafeen over biologische moleculen kunnen draperen - inclusief moleculen in ten minste gedeeltelijk waterige omgevingen, omdat je water aanwezig kunt hebben - en mogelijk hun 3D-structuur kunt krijgen, "zegt Heath. Misschien is het zelfs mogelijk om de structuur van gecompliceerde moleculen te bepalen, zoals eiwit-eiwitcomplexen, "die heel moeilijk te kristalliseren zijn, " hij zegt.

Terwijl de gegevens van één molecuul de grove structuur kunnen onthullen, gegevens van 10 zullen fijnere functies onthullen - en het rekenkundig samenstellen van de gegevens van 1, 000 identieke moleculen zouden elk atoomhoekje en gaatje kunnen onthullen.

Als je je voorstelt dat grafeen gedrapeerd over een molecuul een soort laken is dat over een slapende kat op je bed wordt gegooid, Heat legt uit, het hebben van één afbeelding van de met laken bedekte klomp - in één richting - "zal je vertellen dat het een klein dier is, geen schoen. Met 10 afbeeldingen, je kunt zien dat het een kat is en geen konijn. Met nog veel meer afbeeldingen, je zult weten of het een pluizige kat is - hoewel je de tabby-strepen nooit zult zien."