(Phys.org) — De onderwatercamera's van wetenschappers kregen deze zomer een boost van het Electron Microscopy Center van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy. Samen met collega's van de Universiteit van Manchester, onderzoekers hebben 's werelds eerste realtime beelden en gelijktijdige chemische analyse van nanostructuren gemaakt terwijl "onder water, " of in oplossing.

"Deze techniek stelt chemici en materiaalwetenschappers in staat om nooit eerder gemeten stadia van chemische processen op nanoschaal in materialen te onderzoeken, " zei Argonne materiaalwetenschapper Nestor Zaluzec, een van de auteurs van de krant. Door te begrijpen hoe materialen op nanoschaal groeien, kunnen wetenschappers ze aanpassen voor alles, van batterijen tot zonnecellen.

Elektronenmicroscopen zijn een gewaardeerd hulpmiddel in de gereedschapskist van een wetenschapper omdat ze veel kleinere structuren kunnen zien dan gewone licht- of röntgenmicroscopen. Ze gebruiken elektronen, die honderden keren kleiner zijn dan de golflengten van licht, om het landschap tot aan moleculen en zelfs atomen in kaart te brengen.

"We maken al tientallen jaren foto's op atomaire en nanoschaal, maar het wordt meestal gedaan met het monster in een vacuüm, " Zei Zaluzec. Als je op zoek bent naar atomen en moleculen, eventuele extra moleculen, zelfs die in de lucht, kan het beeld vertroebelen.

Maar de meest interessante objecten of processen op aarde bevinden zich over het algemeen niet in een vacuüm, dus wetenschappers hebben er vanaf het begin ook op aangedrongen om analyses en afbeeldingen van materialen te krijgen terwijl ze zich in meer natuurlijke omgevingen bevinden.

Over de afgelopen tien jaar, ontwikkelingen stelden wetenschappers in staat om beelden te maken van materialen in oplossing, maar tegelijkertijd chemische analyse krijgen bleef ontoegankelijk. Stel je voor hoe nuttig het zou zijn voor trainers om te kunnen kijken naar het veld van een honkbalspeler met gelijktijdige röntgen- en MRI-visie om te zien hoe hun spieren en botten vervormen onder stress, of voor koks om te kunnen zien hoe het eiwit in wisselwerking staat met bakpoeder in de cake terwijl het in de oven bakt.

"Wat we vandaag nodig hebben, is in staat zijn om een ​​materiaal volledig te ondervragen - niet alleen zien hoe het eruit ziet, maar meet ook zijn elektronische en chemische toestanden en zelfs fysieke eigenschappen, alles in realtime en met de hoogste resolutie, alles onder omgevingscondities, "Zei Zaluzec. "Dit alles helpt ons te begrijpen waarom materialen zich gedragen zoals ze doen, en uiteindelijk, om hun eigenschappen te verbeteren."

Zaluzec en zijn medewerkers herwerkten de enscenering van de transmissie-elektronenmicroscoop zodat de gespecialiseerde detectoren het monster duidelijker konden bekijken. Met deze innovatie het team was eindelijk in staat om zowel afbeeldingen als gelijktijdige chemische kaarten te verkrijgen van waar verschillende elementen zich in het monster bevinden. Hierdoor kunnen wetenschappers kijken hoe nanostructuren groeien en veranderen met de tijd tijdens chemische reacties.

Het team werkt nu samen met de fabrikant Protochips Inc. om deze mogelijkheid beschikbaar te maken voor de wetenschappelijke gemeenschap.

Argonne-wetenschapper Dean Miller kijkt al vooruit om deze mogelijkheid op te nemen in de volgende uitdaging:metingen kunnen doen met een elektrische spanning over het monster in vloeistoffen. Dit repliceert de omstandigheden waaronder, bijvoorbeeld, de volgende generatie batterijen zal werken.

"Het ontwikkelen van nieuwe materialen om de maatschappelijke problemen van vandaag aan te pakken is een complexe en veeleisende agenda, " Zei Zaluzec. "Een deel van onze taak bij het Argonne Electron Microscopy Center is om te anticiperen op de volgende golf van wetenschappelijke vragen en problemen en manieren te vinden om ze te bestuderen. Om deze uitdaging aan te gaan, ontwikkelen we wetenschappelijke instrumenten om de uitdagingen van vandaag en morgen op verschillende gebieden aan te pakken."

De studie, "Realtime beeldvorming en lokale elementanalyse van nanostructuren in vloeistoffen, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Chemische communicatie met onderzoekers van de Universiteit van Manchester en BP.