Ze zijn misschien klein en onzichtbaar, zegt Xiaoji Xu, maar de aerosoldeeltjes die in gassen zijn gesuspendeerd, spelen een rol bij de vorming van wolken en milieuvervuiling en kunnen schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid.

Aërosoldeeltjes, die worden gevonden in nevel, stof en uitlaatgassen van voertuigen, meet in de micron. Eén micron is een miljoenste van een meter; een dun mensenhaar is ongeveer 30 micron dik.

de deeltjes, zegt Xu, behoren tot de vele materialen waarvan de chemische en mechanische eigenschappen niet volledig kunnen worden gemeten totdat wetenschappers een betere methode hebben ontwikkeld om materialen op microschaal te bestuderen, evenals op de veel kleinere nanoschaal (1 nm is een miljardste van een meter).

Xu, een assistent-professor scheikunde, heeft een dergelijke methode ontwikkeld en gebruikt om niet-invasieve chemische beeldvorming uit te voeren van een verscheidenheid aan materialen, evenals mechanische mapping met een ruimtelijke resolutie van 10 nanometer.

De techniek, piekkracht infrarood (PFIR) microscopie genoemd, combineert spectroscopie en scanning probe microscopie. Naast het licht werpen op aerosoldeeltjes, Xu zegt, PFIR zal wetenschappers helpen bij het bestuderen van fenomenen op micro- en nanoschaal in een verscheidenheid aan inhomogene materialen.

"Materialen in de natuur zijn zelden homogeen, ", zegt Xu. "Functionele polymeermaterialen bestaan ​​vaak uit domeinen op nanoschaal die specifieke taken hebben. Celmembranen zijn ingebed met eiwitten die nanometer groot zijn. Er bestaan ​​defecten op nanoschaal van materialen die hun mechanische en chemische eigenschappen beïnvloeden.

"PFIR-microscopie vertegenwoordigt een fundamentele doorbraak die meerdere innovaties mogelijk zal maken op gebieden variërend van de studie van aërosoldeeltjes tot het onderzoek van heterogene en biologische materialen, " zegt Xu.

Xu en zijn groep rapporteerden onlangs hun resultaten in een artikel met de titel "Nanoscale simultane chemische en mechanische beeldvorming via piekkracht-infraroodmicroscopie." Het artikel is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een tijdschrift van de American Association for the Advancement of Science, die ook het tijdschrift Science uitgeeft.

De hoofdauteur van het artikel is Le Wang, een doctoraat student aan Lehigh. Coauteurs zijn onder meer Xu en Lehigh Ph.D. studenten Haomin Wang en Devon S. Jakob, evenals Martin Wagner van Bruker Nano in Santa Barbara, Californië, en Yong Yan van het New Jersey Institute of Technology.

"PFIR-microscopie maakt betrouwbare chemische beeldvorming mogelijk, de verzameling van breedbandspectra, en gelijktijdige mechanische mapping in één eenvoudige opstelling met een ruimtelijke resolutie van ~10 nm, ', schrijft de groep.

"We hebben drie soorten representatieve materialen onderzocht, namelijk, zachte polymeren, perovskietkristallen en boornitride nanobuisjes, die allemaal zorgen voor een sterke PFIR-resonantie voor ondubbelzinnige nanochemische identificatie. Veel andere materialen zouden ook geschikt moeten zijn voor de multimodale karakterisering die PFIR-microscopie te bieden heeft.

"Samengevat, PFIR-microscopie zal een krachtig analytisch hulpmiddel bieden voor verkenningen op nanoschaal in brede disciplines."

Xu en Le Wang publiceerden ook een recent artikel over het gebruik van PFIR om aerosolen te bestuderen. Getiteld "Nanoschaal spectroscopische en mechanische karakterisering van individuele aerosoldeeltjes met behulp van piekkracht infraroodmicroscopie, " het artikel verscheen in een "Emerging Investigators"-uitgave van Chemische communicatie , een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry. Xu werd gekenmerkt als een van de opkomende onderzoekers in de kwestie. Het artikel is geschreven in samenwerking met onderzoekers van de University of Macau en de City University of Hong Kong, beide in China.

PFIR verkrijgt gelijktijdig chemische en mechanische informatie, zegt Xu. Het stelt onderzoekers in staat om een ​​materiaal op verschillende plaatsen te analyseren, en om de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen op elk van deze plaatsen te bepalen, op nanoschaal.

"Een materiaal is niet vaak homogeen, ", zegt Xu. "De mechanische eigenschappen ervan kunnen van regio tot regio verschillen. Biologische systemen zoals celwanden zijn inhomogeen, en dat geldt ook voor materialen met gebreken. De kenmerken van een celwand zijn ongeveer 100 nanometer groot, ze ruim binnen het bereik van PFIR en zijn mogelijkheden plaatsen."

PFIR heeft verschillende voordelen ten opzichte van scanning near-field optische microscopie (SNOM), de huidige methode om materiaaleigenschappen te meten, zegt Xu. Eerst, PFIR verkrijgt een voller infraroodspectrum en een scherper beeld - 6 nm ruimtelijke resolutie - van een grotere verscheidenheid aan materialen dan SNOM. SNOM werkt goed met anorganische materialen, maar verkrijgt niet zo'n sterk infraroodsignaal als de Lehigh-techniek van zachtere materialen zoals polymeren of biologische materialen.

"Onze techniek is robuuster, " zegt Xu. "Het werkt beter met zachte materialen, zowel chemisch als biologisch."

Het tweede voordeel van PFIR is dat het kan uitvoeren wat Xu puntspectroscopie noemt.

"Als er iets chemisch van belang is op een oppervlak, "Xu zegt, "Ik heb een AFM-sonde [atoomkrachtmicroscopie] op die locatie geplaatst om de infraroodrespons met piekkracht te meten.

"Het is erg moeilijk om deze spectra te verkrijgen met de huidige verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie. Het kan worden gedaan, maar het vereist zeer dure lichtbronnen. Onze methode maakt gebruik van een smalbandige infraroodlaser en kost ongeveer $ 100, 000. De bestaande methode maakt gebruik van een breedbandlichtbron en kost ongeveer $ 300, 000."

Een derde voordeel, zegt Xu, is dat PFIR zowel een mechanische als een chemische reactie van een materiaal verkrijgt.

"Geen enkele andere spectroscopiemethode kan dit doen, " zegt Xu. "Is een materiaal stijf of zacht? Is het inhomogeen - is het zacht in het ene gebied en rigide in het andere? Hoe varieert de samenstelling van de zachte naar de stijve gebieden? Een materiaal kan relatief stijf zijn en één type chemische samenstelling hebben in één gebied, en relatief zacht zijn met een ander type compositie in een ander gebied.

"Onze methode verkrijgt tegelijkertijd chemische en mechanische informatie. Het zal nuttig zijn voor het analyseren van een materiaal op verschillende plaatsen en het bepalen van de samenstelling en mechanische eigenschappen op elk van deze plaatsen, op nanoschaal."

Een vierde voordeel van PFIR is de grootte, zegt Xu.

"We gebruiken een tafellaser om infraroodspectra te krijgen. Onze is een zeer compacte lichtbron, in tegenstelling tot de veel grotere maten van concurrerende lichtbronnen. Onze laser is verantwoordelijk voor het verzamelen van informatie over de chemische samenstelling. We krijgen mechanische informatie van de AFM. We integreren de twee soorten metingen in één apparaat om tegelijkertijd twee informatiekanalen te verkrijgen."

Hoewel PFIR niet werkt met vloeibare monsters, zegt Xu, het kan de eigenschappen van gedroogde biologische monsters meten, inclusief celwanden en eiwitaggregaten, het bereiken van een ruimtelijke resolutie van 10 nm zonder kleuring of genetische modificatie.