Zachte materie omvat een breed scala aan materialen, inclusief vloeistoffen, polymeren, gels, schuim en - belangrijker nog - biomoleculen. In het hart van zachte materialen, die hun algemene eigenschappen en mogelijkheden beheersen, zijn de interacties van componenten van nanoformaat. Het observeren van de dynamiek achter deze interacties is van cruciaal belang voor het begrijpen van belangrijke biologische processen, zoals eiwitkristallisatie en metabolisme, en zou de ontwikkeling van belangrijke nieuwe technologieën kunnen helpen versnellen, zoals kunstmatige fotosynthese of hoogrenderende fotovoltaïsche cellen. Het was een grote uitdaging om deze dynamiek met voldoende resolutie te observeren, maar deze uitdaging wordt nu aangegaan met een nieuwe niet-invasieve beeldvormingstechniek op nanoschaal die de afkorting is van CLAIRE.

CLAIRE staat voor "kathodeluminescentie geactiveerde beeldvorming door resonante energieoverdracht." Uitgevonden door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en Berkeley van de University of California (UC), CLAIRE breidt de ongelooflijke resolutie van elektronenmicroscopie uit naar de dynamische beeldvorming van zachte materie.

"Traditionele elektronenmicroscopie beschadigt zachte materialen en is daarom voornamelijk gebruikt om topografische of compositorische informatie te verstrekken over robuuste anorganische vaste stoffen of vaste secties van biologische monsters, " zegt chemicus Naomi Ginsberg, die de ontwikkeling van CLAIRE leidt. "CLAIRE stelt ons in staat om elektronenmicroscopie om te zetten in een nieuwe niet-invasieve beeldvormingsmodaliteit voor het bestuderen van zachte materialen en het verstrekken van spectraalspecifieke informatie daarover op nanoschaal."

Ginsberg heeft afspraken met Berkeley Lab's Physical Biosciences Division en de Materials Sciences Division, evenals de afdelingen scheikunde en natuurkunde van UC Berkeley. Ze is ook lid van het Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) in Berkeley. Zij en haar onderzoeksgroep hebben onlangs de beeldvormingscapaciteiten van CLAIRE aangetoond door de techniek toe te passen op aluminium nanostructuren en polymeerfilms die niet direct in beeld konden worden gebracht met elektronenmicroscopie.

"Welke microscopische defecten in moleculaire vaste stoffen geven aanleiding tot hun functionele optische en elektronische eigenschappen? Door welk potentieel controleerbaar proces vormen dergelijke vaste stoffen uit hun individuele microscopische componenten, aanvankelijk in de oplossingsfase? De antwoorden vereisen het observeren van de dynamiek van elektronische excitaties of van moleculen zelf terwijl ze ruimtelijk heterogene landschappen in gecondenseerde fasesystemen verkennen, " zegt Ginsberg. "Tijdens onze demonstratie, we verkregen optische afbeeldingen van aluminium nanostructuren met een resolutie van 46 nanometer, valideerde vervolgens de niet-invasiviteit van CLAIRE door een geconjugeerde polymeerfilm af te beelden. De hoge resolutie, snelheid en niet-invasiviteit die we met CLAIRE hebben aangetoond, positioneert ons om ons huidige begrip van belangrijke biomoleculaire interacties te transformeren."

CLAIRE werkt door in wezen de beste eigenschappen van optische en scanning-elektronenmicroscopie te combineren in een enkel beeldvormingsplatform. Scanning-elektronenmicroscopen gebruiken elektronenbundels in plaats van licht voor verlichting en vergroting. Met veel kortere golflengten dan fotonen van zichtbaar licht, elektronenbundels kunnen worden gebruikt om objecten te observeren die honderden keren kleiner zijn dan die kunnen worden opgelost met een optische microscoop. Echter, deze elektronenbundels vernietigen de meeste vormen van zachte materie en zijn niet in staat tot spectraal specifieke moleculaire excitatie.

Ginsberg en haar collega's omzeilen deze problemen door een proces toe te passen dat "kathodeluminescentie, " waarin een ultradunne sprankelende film, ongeveer 20 nanometer dik, samengesteld uit met cerium gedoteerd yttrium aluminium perovskiet, wordt ingevoegd tussen de elektronenbundel en het monster. Wanneer de sprankelende film wordt geëxciteerd door een elektronenbundel met lage energie (ongeveer 1 KeV), het zendt energie uit die naar het monster wordt overgebracht, waardoor het monster uitstraalt. Deze luminescentie wordt geregistreerd en gecorreleerd met de positie van de elektronenbundel om een ​​beeld te vormen dat niet wordt beperkt door de optische diffractielimiet.

Het ontwikkelen van de sprankelende film en het integreren ervan in een microchip-beeldvormingsapparaat was een enorme onderneming, Ginsberg zegt, en ze dankt het "talent en toewijding" van haar onderzoeksgroep voor het succes. Ze geeft ook veel eer aan het personeel en de capaciteiten van de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, waar de CLAIRE-beeldvormingsdemonstratie werd uitgevoerd.

"De Molecular Foundry heeft CLAIRE-beeldvorming echt tot leven gebracht, " zegt ze. "We hebben daar samengewerkt met stafwetenschappers om een ​​zeer efficiënt lichtverzamelingsapparaat te ontwerpen en te installeren in een van de scanning-elektronenmicroscopen van de Foundry en hun advies en input waren fantastisch. Dat we kunnen samenwerken met Foundry-wetenschappers om de instrumentatie aan te passen en de mogelijkheden ervan te verbeteren, niet alleen voor onze eigen experimenten, maar ook voor andere gebruikers is uniek."

Hoewel er nog veel werk aan de winkel is om CLAIRE breed toegankelijk te maken, Ginsberg en haar groep gaan verder met verdere verfijningen voor verschillende specifieke toepassingen.

"We zijn geïnteresseerd in niet-invasieve beeldvorming van zachte functionele materialen zoals de actieve lagen in zonnecellen en lichtgevende apparaten, " zegt ze. "Het is vooral waar in organische en organische / anorganische hybriden dat de morfologie van deze materialen complex is en een resolutie op nanoschaal vereist om morfologische kenmerken met functies te correleren."

Ginsberg en haar groep werken ook aan het creëren van vloeibare cellen voor het observeren van biomoleculaire interacties onder fysiologische omstandigheden. Omdat elektronenmicroscopen alleen in een hoog vacuüm kunnen werken, als moleculen in de lucht de elektronenstraal verstoren, en aangezien vloeistoffen in hoog vacuüm verdampen, waterige monsters moeten ofwel worden gevriesdroogd of hermetisch worden afgesloten in speciale cellen.

"We hebben vloeibare cellen nodig voor CLAIRE om de dynamische organisatie van licht-oogstende eiwitten in fotosynthetische membranen te bestuderen, " zegt Ginsberg. "We zouden ook andere studies in membraanbiofysica moeten kunnen uitvoeren om te zien hoe moleculen diffunderen in complexe omgevingen, en we willen moleculaire herkenning op het niveau van een enkel molecuul kunnen bestuderen."

In aanvulling, Ginsberg en haar groep gaan CLAIRE gebruiken om de dynamiek van nanoschaalsystemen voor zachte materialen in het algemeen te bestuderen.

"We zouden graag kristallisatieprocessen willen observeren of een materiaal gemaakt van componenten op nanoschaal zien uitgloeien of een faseovergang ondergaan, " zegt ze. "We zouden ook graag de elektrische dubbellaag op een geladen oppervlak kunnen zien terwijl het evolueert, omdat dit fenomeen cruciaal is voor de batterijwetenschap."

Een paper waarin het meest recente werk over CLAIRE wordt beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters . Het artikel is getiteld "Cathodoluminescence-Activated Nanoimaging:Non-invasieve Near-Field Optical Microscopy in an Electron Microscope." Ginsberg is de corresponderende auteur. Andere auteurs zijn Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz en Darrell Schlom.