Nanotechnologie-onderzoekers van de Amerikaanse overheid hebben een nieuw venster laten zien om te zien wat nu meestal clandestiene operaties zijn die plaatsvinden in drassige, onherbergzame gebieden van de nanowereld - technologisch en medisch belangrijke processen die plaatsvinden op de grens tussen vloeistoffen en vaste stoffen, zoals in batterijen of langs celmembranen.

De nieuwe benadering van microgolfbeeldvorming overtroeft op röntgen- en elektronengebaseerde methoden die delicate monsters en modderige resultaten kunnen beschadigen. En het voorkomt dat dure apparatuur wordt blootgesteld aan vloeistoffen, terwijl de noodzaak wordt geëlimineerd om sondes te harden tegen corrosieve, giftig, of andere schadelijke omgevingen.

Schrijven in het journaal ACS Nano , de medewerkers - van het Center for Nanoscale Science and Technology van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy - beschrijven hun nieuwe benadering voor het afbeelden van reactieve en biologische monsters op nanoschaalniveaus onder realistische voorwaarden.

Het belangrijkste element is een raam, een ultradun membraan dat de naaldachtige sonde van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) scheidt van het onderliggende monster, gehouden in kleine containers die een consistente vloeistof- of gasomgeving handhaven. De toevoeging transformeert microgolfbeeldvorming in het nabije veld in een veelzijdig hulpmiddel, uitbreiding van het gebruik tot buiten de halfgeleidertechnologie, waar het wordt gebruikt om vaste structuren te bestuderen, naar een nieuw rijk van vloeistoffen en gassen.

"De ultradunne, microgolftransparant membraan maakt het mogelijk het monster te onderzoeken op vrijwel dezelfde manier als de aardradar werd gebruikt om beelden van het oppervlak van Venus te onthullen door zijn ondoorzichtige atmosfeer, ", legde NIST-natuurkundige Andrei Kolmakov uit.

"We genereren microgolven aan de top - of helemaal aan het einde - van de sondetip, " zei Kolmakov. "De microgolven dringen door het membraan een paar honderd nanometer diep in de vloeistof tot aan het object van belang. Terwijl de punt het monster van over het membraan scant, we nemen de gereflecteerde microgolven op om het beeld te genereren."

Microgolven zijn veel groter dan de objecten op nanoschaal die ze gewend zijn te 'zien'. Maar wanneer uitgezonden vanaf slechts een minuscule afstand, near-field microgolven die door een monster worden gereflecteerd, leveren een verrassend gedetailleerd beeld op.

In hun proof-of-concept experimenten, het NIST-ORNL-team gebruikte hun hybride microscoop om een ​​beeld op nanoschaal te krijgen van de vroege stadia van een zilvergalvanisatieproces. Microgolfbeelden legden de elektrochemische vorming vast van vertakte metaalclusters, of dendrieten, op elektroden. Functies van bijna 100 nanometer (miljardste van een meter) konden worden onderscheiden.

Net zo belangrijk, de microgolven met lage energie waren te zwak om chemische bindingen te verbreken, warmte, of op andere manieren interfereren met het proces dat ze gebruikten om in afbeeldingen vast te leggen. In tegenstelling tot, een scanning-elektronenmicroscoop die werd gebruikt om hetzelfde galvanisatieproces op vergelijkbare resolutieniveaus vast te leggen, leverde beelden op die delaminatie en andere destructieve effecten van de elektronenstraal vertoonden.

Het team rapporteert vergelijkbaar succes bij het gebruik van hun AFM-magnetronopstelling om beelden op te nemen van gistcellen gedispergeerd in water of glycerol. Niveaus van ruimtelijke resolutie waren vergelijkbaar met die bereikt met een scanning elektronenmicroscoop, maar nogmaals, waren vrij van de schade veroorzaakt door de elektronenstraal.

In hun experimenten, het team gebruikte membranen - gemaakt van siliciumdioxide of siliciumnitride - die in dikte varieerden van 8 nanometer tot 50 nanometer. Ze vonden, echter, dat hoe dunner het membraan, hoe beter de resolutie - tot tientallen nanometers - en hoe groter de sondeerdiepte - tot honderden nanometers.

"Deze cijfers kunnen verder worden verbeterd met afstemming en ontwikkeling van betere elektronica, ' zei Kolmakov.

Naast het bestuderen van processen in reactieve, giftig, of radioactieve omgevingen, de onderzoekers suggereren dat hun benadering van microgolfbeeldvorming kan worden geïntegreerd in "lab-on-a-chip" fluïdische apparaten, waar het kan worden gebruikt om vloeistoffen en gassen te bemonsteren.