(Phys.org) — Jarenlang, wetenschappers hebben jeuk gehad waar ze niet aan konden krabben. Zelfs met de beste microscopen en spectrometers, het was moeilijk om moleculen te bestuderen en te identificeren op de zogenaamde mesoschaal, een materiegebied dat varieert van 10 tot 1000 nanometer in grootte. Nutsvoorzieningen, met behulp van breedband infrarood licht van de Advanced Light Source (ALS) synchrotron van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab), onderzoekers hebben een breedbandbeeldvormingstechniek ontwikkeld die in dit rijk kijkt met een ongekende gevoeligheid en bereik.

Door atoomkrachtmicroscopie te combineren met infrarood synchrotronlicht, onderzoekers van Berkeley Lab en de Universiteit van Colorado hebben de ruimtelijke resolutie van infraroodspectroscopie met ordes van grootte verbeterd, terwijl het tegelijkertijd zijn volledige spectroscopische bereik bestrijkt, waardoor het onderzoek van verschillende nanoschaal, mesoschaal, en oppervlakteverschijnselen die voorheen moeilijk te bestuderen waren.

De nieuwe techniek, genaamd Synchrotron Infrarood Nano-Spectroscopie of SINS, zal een diepgaande studie van complexe moleculaire systemen mogelijk maken, inclusief vloeibare batterijen, levende cellen, nieuwe elektronische materialen en sterrenstof.

"Het belangrijkste is dat we volledige breedband-infraroodspectroscopie krijgen op 100 tot 1000 keer kleinere schaal, " zegt Hans Bechtel, belangrijkste wetenschappelijk medewerker bij Berkeley Lab. "Dit is geen stapsgewijze prestatie. Het is echt revolutionair."

In een Proceedings van de National Academy of Sciences paper gepubliceerd op 6 mei online, getiteld "Ultra-breedband infrarood nano-spectroscopische beeldvorming, "Bechtel en Michael Martin van Berkeley Lab, een stafwetenschapper van Berkeley Lab, en collega's van de groep van Markus Raschke aan de Universiteit van Colorado in Boulder beschrijven SINS. Ze demonstreren het vermogen van de nanoscoop om breedband spectroscopische gegevens vast te leggen over een verscheidenheid aan monsters, inclusief een halfgeleider-isolatorsysteem, een weekdierschelp, eiwitten, en een peptoïde nanosheet. Martin zegt dat deze demonstraties slechts "de oppervlakte afkrabben" van het potentieel van de nieuwe techniek.

Bereiken synchroniseren

SINS combineert twee reeds bestaande infraroodtechnologieën:een nieuwere techniek genaamd infraroodverstrooiing-scanning near-field optische microscopie (IR s-SNOM) en een oude laboratorium-standby, zelfs bekend bij scheikundestudenten, genaamd Fourier Transform Infrarood Spectroscopie (FTIR). Een slimme samensmelting van deze twee tools, gecombineerd met het intense infraroodlicht van de synchrotron in Berkeley Lab geeft het de onderzoekers de mogelijkheid om clusters van moleculen te identificeren die zo klein zijn als 20 tot 40 nanometer.

De nieuwe aanpak overwint al lang bestaande barrières met reeds bestaande microscopietechnieken die vaak gepaard gaan met veeleisende technische en monstervoorbereidingsvereisten. Infraroodspectroscopie maakt gebruik van energiezuinig licht, is minimaal invasief, en is toepasbaar onder omgevingsomstandigheden, waardoor het een uitstekend hulpmiddel is voor chemische en moleculaire identificaties in systemen die zowel statisch als levend en dynamisch zijn. De techniek werkt door energiezuinig infrarood licht op een moleculair monster te schijnen. Moleculen kunnen worden gezien als systemen van ballen (atomen) en veren (bindingen tussen atomen) die trillen met karakteristieke wiebelen; ze absorberen infraroodstraling op frequenties die overeenkomen met hun natuurlijke vibratiemodi. De output van deze absorptie is een spectrum, vaak een vingerafdruk genoemd, die kenmerkende pieken en dalen vertoont, afhankelijk van de bindingen en atomen die in het monster aanwezig zijn.

Maar infraroodspectroscopie heeft ook zijn uitdagingen. Hoewel het goed werkt voor bulkmonsters, traditionele infraroodspectroscopie kan de moleculaire samenstelling van minder dan ongeveer 2000 nanometer niet oplossen. De belangrijkste hindernis is de diffractielimiet van licht, dat is de fundamentele barrière die de kleinste focusvlek van licht bepaalt en is vooral lastig voor de grote golflengten van infrarood licht. In recente jaren, Hoewel, de diffractielimiet is overwonnen door een techniek genaamd scattering-scanning near-field optische microscopie, of s-SNOM, waarbij licht op een metalen punt schijnt. De punt fungeert als antenne voor het licht, het naar een klein gebied aan de top van slechts tientallen nanometers breed geleid.

Deze truc wordt gebruikt in IR s-SNOM, waar infrarood licht is gekoppeld aan een metalen punt. De uitdaging met IR s-SNOM, echter, is dat onderzoekers vertrouwden op infrarood licht dat door lasers wordt geproduceerd. Lasers zenden een groot aantal fotonen uit die nodig zijn voor de techniek, maar omdat ze in een smalle golflengteband werken, ze kunnen alleen een smal bereik van moleculaire trillingen onderzoeken. Met andere woorden, laserlicht kan je gewoon niet de flexibiliteit geven om een ​​spectrum van gemengde moleculen te verkennen.

Bechtel, Het team van Martin en Raschke zag de mogelijkheid om ALS van Berkeley Lab te gebruiken om de laserbeperking te overwinnen. De synchrotron van het lab produceert breedband infrarood licht met een hoog aantal fotonen dat kan worden scherpgesteld tot de diffractielimiet. De onderzoekers koppelden het synchrotronlicht aan een metalen punt met een apex van ongeveer 20 nanometer, focussering van de infraroodstraal op de monsters. Het resulterende spectrum wordt geanalyseerd met een aangepast FTIR-instrument.

"Dit is eigenlijk een van de weinige voorbeelden waarbij synchrotronlicht is gekoppeld aan scanning-sondemicroscopie, " zegt Raschke. "Bovendien, de implementatie van de techniek bij de synchrotron brengt chemische nanospectroscopie en -beeldvorming uit het laboratorium van een paar laserwetenschapsexperts en maakt het beschikbaar voor een bredere wetenschappelijke gemeenschap in een gebruikersfaciliteit."

Van weekdieren tot maanstenen

Het team demonstreerde de techniek door de spectroscopische signatuur van siliciumdioxide op silicium te bevestigen en door de scherpe chemische overgang te illustreren die optreedt in de schelpen van de blauwe mossel ( M. edulis ). Aanvullend, de onderzoekers keken naar eiwitten en een peptoïde nanosheet, een gemanipuleerde, ultradunne film van eiwitten met medische en farmacologische toepassingen.

Martin is enthousiast over het potentieel van SINS, die beschikbaar is voor onderzoekers van elke instelling om te gebruiken. Hij is in het bijzonder geïnteresseerd in het nader bekijken van batterijsystemen, met de hoop dat het begrijpen van batterijchemie op mesoschaal inzicht zou kunnen geven in betere prestaties. Verder weg, hij verwacht dat SINS ook nuttig zal zijn voor een reeks biochemie. "Dit verwijst naar een droom die ik in mijn hoofd heb gehad, naar het oppervlak van een cel kijken, binnen het dubbellaagse membraan, de kanalen, en receptoren, ", zegt Martin. "Als we een SINS-tip op een levende cel zouden kunnen zetten, we konden biochemie in realtime zien gebeuren."

Bechtel, voor zijn deel, is geïntrigeerd door de mogelijkheid om SINS te gebruiken voor de studie van maangesteenten, meteorieten en sterrenstof. Deze buitenaardse materialen hebben een moleculaire diversiteit die moeilijk op nanoschaal is op te lossen, vooral op een niet-destructieve manier voor deze zeldzame monsters. Een beter begrip van de samenstelling van maanstenen en stof uit de ruimte zou aanwijzingen kunnen geven voor de vorming van de planeten en het zonnestelsel.

Raschke gebruikt de techniek om de processen te bestuderen die de prestaties van organische zonnecellen beperken. Hij wil de flexibiliteit van de techniek verder verbeteren, zodat deze kan worden toegepast onder variabele en gecontroleerde atmosferische en lage temperatuuromstandigheden. Onder andere aanpassingen, hij is van plan de gevoeligheid van de techniek te vergroten met als uiteindelijk doel het uitvoeren van chemische spectroscopie met enkelvoudige moleculen.