Sinds de 19e eeuw, microscopie- en spectroscopiemethoden hebben veel aspecten van scheikunde en natuurkunde belicht, van het definiëren van atoomspectra tot het helder maken van Einsteins foto-elektrische effect.

Nutsvoorzieningen, aan het begin van de 21e eeuw, chemische beelden die zijn gegenereerd via spatiotemporele metingen met hoge resolutie in combinatie met spectroscopie brengen ons dichter bij een wetenschappelijke droom:het visualiseren van single-molecule of atomaire schalen in situ en in realtime. Moleculair onderzoek in organische fotovoltaïsche energie, polymeren, macro/supramoleculaire zelfassemblage, biomembranen, eiwitten, en in het algemeen materie die is georganiseerd om moleculaire structuren op nanoschaal te vormen, kunnen allemaal profiteren van deze ontluikende ultrasnelle, femtoseconde nano-imaging vermogen.

Voor Markus Raschke, een professor aan de Universiteit van Colorado in Boulder en huidige EMSL Wiley Research Fellow, de evolutie naar het bereiken van deze wetenschappelijke innovatie wordt gedreven door zijn interesse op lange termijn in optische beeldvorming en spectroscopie met ultrahoge ruimtelijke resolutie. Deze interesse bracht hem in eerste instantie bij EMSL als gebruiker en heeft sindsdien geleid tot een bijna vierjarige samenwerking waarbij EMSL op het punt staat beeldvormingsmogelijkheden te leveren met een gevoeligheid van bijna één molecuul.

Het 'tip'ping point

Raschke en zijn collega's gebruikten aanvankelijk de microscopiemogelijkheden van EMSL om plasmonische nanofocusing aan te tonen met behulp van een optisch antenneconcept. De methode maakte gebruik van een conische gouden punt en korte-pulsexcitatie om achtergrondvrije near-field-beeldvorming mogelijk te maken via verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie, of s-SNOM. De combinatie biedt ook nanofocusing van femtoseconde-pulsen en optische controle op nanoschaal. Het opende de deur naar ultrasnelle spectroscopie op nanoschaal die materie tegelijkertijd kon weergeven te midden van zijn realtime- en lengteschalen, en om een ​​enkele kwantumexcitatie te regelen met die unieke lichtbron "aan de punt van een naald, ", aldus Raschke.

"We wilden een lichtbron op nanoschaal ontwerpen, " legde Raschke uit. "We hebben verschillende wegen gezocht om dit doel te bereiken en dit te bereiken voor verschillende golflengten en tijdschalen. Het fabriceren van deze tips, die fungeren als speciale conische golfgeleiders, zorgen voor een zeer beperkte lichtbron, waarbij de optische veldenergie wordt gecomprimeerd tot een zeer, zeer klein volume aan de top."

Hoewel het ultrasnelle spectroscopie-aspect niet het oorspronkelijke doel van Raschke was, het succes dat met die inspanning werd behaald, bood EMSL een ongelooflijke kans om het begrip van chemie op oppervlakken en interfaces te vergroten - waar milieu-, katalytisch, en biologische interacties vinden plaats en chemie vindt plaats - door middel van het Wetenschappelijke Partner Voorstelproces.

Een partnerschap opbouwen

Geïnteresseerde partners, zoals Raschke en zijn collega's, dien voorstellen in via het EMSL-gebruikersportaal om samen te werken met EMSL-medewerkers en om bestaande mogelijkheden te verbeteren of nieuwe te ontwikkelen. In dit geval, EMSL's American Recovery and Reinvestment Act-financiering faciliteerde de ontwikkeling van het infrarood, of IR, verstrooiingstype scanning near-field microscoop, die aanvankelijk in Raschke's laboratorium was gehuisvest terwijl hij en zijn team bouwden, getest, en de nieuwe mogelijkheid geoptimaliseerd. Eerder dit jaar, de op maat gemaakte IR s-SNOM-microscoop werd naar zijn huis bij EMSL verhuisd, waar Raschke, samen met EMSL-wetenschapper Ian Craig, zijn nog steeds aan het werk om de ontwikkeling en toepassingen ervan aan te scherpen.

"Bij EMSL, we hebben ons lang gefocust op technologie die te maken heeft met verbeterde ruimte-tijdresolutie waarmee we naar chemie kunnen kijken in reële omstandigheden, " zei David Koppenaal, EMSL's chief technology officer. "Dit is een uniek vermogen dat moleculaire informatie met een hoge resolutie op nanoschaal zal leveren. En, het is een aanvulling op verschillende microscopiemogelijkheden die we hier al hebben."

Volgens Raschke, Het wetenschappelijke partnermechanisme van EMSL is ook een uitstekend voorbeeld van interdisciplinaire en collaboratieve wetenschap, het soort investering dat wetenschappers motiveert en nieuwe wetenschappelijke grenzen bevordert. Komende van de academische kant, hij weet hoe waardevol deze interactie kan zijn voor het bereiken van tastbare innovatie.

"We hadden niet de middelen of infrastructuur om een ​​instrument te maken met deze geweldige mogelijkheden op academisch niveau, Raschke merkte op. "Samenwerken met EMSL bracht het beste van twee werelden samen:de dynamiek en het enthousiasme op een universiteit en de middelen en capaciteiten bij EMSL. We willen allemaal de beste wetenschap."

de vernieuwers

Na het aantonen van het potentieel van s-SNOM om IR-spectroscopie uit te breiden tot nanometerschaal op basis van hun optische antenneconcept, Raschke en zijn collega's werkten samen met EMSL om de uitdaging aan te gaan om de spectroscopische gevoeligheid te verbeteren.

"Het is algemeen bekend dat je een enkel molecuul kunt zien met behulp van een atoomkracht of scanning tunneling microscoop, maar je krijgt geen spectroscopische details - en die technieken, zij het buitengewoon gevoelig, zijn te traag om de interne dynamiek te krijgen, ' zei Raschke.

"Lasers geven u een hoge spectrale resolutie, en gepulseerde lasers vertellen je over dynamiek in materie, ging hij verder. Maar, de ruimtelijke resolutie is beperkt om naar de fijnere details van de moleculaire samenstelling te kijken. Wat we deden was om de gevoeligheid en ruimtelijke resolutie van scanning probe microscopie echt te combineren met ultrasnelle laserspectroscopie om het beste van twee werelden te krijgen."

Door de verbetering van zowel de tip als het substraat, verkregen uit hun eerste werk, te combineren met optische antennes en moleculaire Raman-spectroscopie en een verbeterde signaal-ruisverhouding van IR-pompexcitatie met hoge spectrale bestraling, Raschke en zijn collega's beeldden een zelf-geassembleerde monolaag af, of SAM, gemaakt van 16-mercaptohexadecaanzuur, een verbinding die bij zelfassemblage wordt gebruikt om hydrofiele SAM's te produceren, op een gouden ondergrond. Ze waren in staat om een ​​ruimtelijke resolutie van 25 nm te verkrijgen met behulp van hun IR s-SNOM-techniek en konden spectroscopisch de chemische identiteit van de oppervlaktemoleculen bepalen. Het meest significant, ze braken een record in spectrale gevoeligheid en contrast, signaal ontvangen van slechts ∼100 moleculaire trillingen - bijna negen ordes van grootte gevoeliger dan conventionele IR-spectroscopie.

"Dit effent de weg naar IR-spectroscopie met één molecuul, ' zei Raschke. 'We hebben laten zien dat je een signaal kunt krijgen. We kijken naar 100 moleculen, terwijl ik daarvoor collega's had die niet eens dachten dat je een signaal kon krijgen van 1 miljoen moleculen."

Als senior wetenschapper en medewerker tijdens deze inspanning, Raschke blijft artikelen publiceren terwijl hij de IR s-SNOM verfijnt, op zoek naar middelen om zijn vermogen te verbeteren. Hij verwelkomt ook de evolutie ervan als een ander uniek instrument dat EMSL aanbiedt voor breed gebruik aan de wetenschappelijke gemeenschap. Zijn leidende rol is er een die hij volledig verwacht, en is opgewonden, om nog jaren door te gaan.

"Als je het kunt zien op een enkele moleculaire monolaag, je kunt het overal aan zien, Echt, " zei Raschke. "We zien hoe licht interageert met materie op de klok van de natuur. We kijken in realtime naar de beweging van elektronen en atomen. We hebben verzamelingen atomen dit zien doen. Maar, je hebt er veel nodig om een ​​signaal te krijgen. Nutsvoorzieningen, we komen waar we de atomaire beweging van individuen kunnen zien.

"Honderd moleculen is een belangrijk aantal. Dit is waar atomen een familie worden. We gaan naar het homogene ensemble, het zien van de hartslag van de materie, " hij voegde toe.