Een nieuwe microscoop die zal worden gebouwd aan de Universiteit van Houston (UH) zal wetenschappers een betere manier geven om de chemische eigenschappen van een reeks oppervlakken te bestuderen, gaande van kunststoffen en metalen tot cellen en water. Onderzoekers zeggen dat dit zal helpen bij zowel milieustudies als materiaalwetenschap.

Een driejarige $ 1 miljoen subsidie ​​van de W. M. Keck Foundation werd toegekend aan Steven Baldelli, een universitair hoofddocent scheikunde aan de UH, om het apparaat te bouwen. Baldelli werkt aan dit project samen met Kevin Kelly, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Rice University.

"Oppervlakken zijn overal, maar het bestuderen van hun chemie is een beetje lastig omdat oppervlakken vaak maar een of twee atomen dik zijn, " Zei Baldelli. "Oppervlakken hebben meestal andere eigenschappen dan het grootste deel van het materiaal."

Met de microscoop die de groep van Baldelli aan het bouwen is, kunnen wetenschappers meer informatie krijgen over oppervlakken. De huidige techniek van het genereren van somfrequenties, of SFG, maakt gebruik van een laser en zorgt voor de chemische aard van het totale oppervlak, maar niet de gedetailleerde chemie van verschillende regio's over een oppervlak en hoe ze reageren.

"Als je naar een stuk metaal kijkt, sommige delen zullen glimmen, wat saai, wat roestig, " zei Baldelli. "De chemie is niet uniform over het oppervlak. Deze nieuwe microscoop zal gegevens voor alle gebieden vastleggen en verstrekken. De huidige technieken vervagen de details van specifieke regio's."

Baldelli zegt dat meer kennis over de verschillende regio's van een oppervlak nuttig zal zijn voor veel wetenschapsgebieden, inclusief milieuwetenschap voor studies van mineralen en natuurlijke wateroppervlakken, evenals materiaalkunde voor het maken van verschillende materialen zoals metalen, legeringen en polymeren. Voor de nieuwe microscoop Baldelli combineert SFG met een techniek die compressieve sensing-beeldvorming wordt genoemd, waarmee wetenschappers de gegevens in gelokaliseerde regio's kunnen opsplitsen om de reacties van het specifieke gebied te zien.

Volgens Baldelli, de laser stelt hen in staat om te leren hoe oppervlaktemoleculen zich gedragen door te kijken hoe de moleculen interageren met het licht van de laser. Wanneer de laserstraal het monster raakt, de onderzoekers herstellen het signaal en analyseren wat er gebeurt nadat het toeslaat, hen gegevens te geven over de vraag of het monster licht absorbeert, zendt nieuwe lichtsignalen uit of verandert de polarisatie van het licht.

Alvorens de Keck Foundation-beurs te ontvangen, de Baldelli- en Kelly-groepen bouwden een prototype om te bewijzen dat het concept zou werken. Baldelli en UH-afgestudeerde student Xiaojun Cai werkten aan de chemie en laseroptica, terwijl Kelly en zijn student Ting Sun de beeldgegevens manipuleerden voor analyse van de oppervlaktesignalen. Hun resultaten werden gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica , samen met een ander teamlid en UH-alumnus, Bian Hu, die met de Rice-groep werkte. Het artikel is online beschikbaar op http://jcp.aip.org/resource/1/jcpsa6/v135/i19/p194202_s1.

"Het duurde een paar jaar en werd gebouwd met reserveonderdelen, maar we hebben kunnen bewijzen dat het principe werkt, "Zei Baldelli. "We hebben aangetoond dat we de beelden en oppervlaktesignalen kunnen herstellen."

Met de subsidie ​​kan het team een ​​snellere laser aanschaffen, waardoor ze de mogelijkheid hebben om een ​​apparaat te bouwen met een verbeterde beeldresolutie en snelheid van data-acquisitie. Met meer dan 50 groepen wereldwijd die de huidige SFG-techniek gebruiken voor metingen van oppervlaktechemie, Baldelli zegt dat zodra deze nieuwe microscoop is voltooid en volledig is getest, het zal voor wetenschappers over de hele wereld gemakkelijk zijn om de toegevoegde functie van compressieve waarneming over te nemen.

"Ongeveer tweederde van de groepen die SFG gebruiken, heeft al een laser met snelle acquisitie, "Zei Baldelli. "Zodra we deze gecombineerde SFG- en drukgevoelige microscoop hebben gebouwd en getest, andere groepen zouden de techniek moeten kunnen implementeren zonder al te veel extra kosten."