Wetenschap
Schematische tekening van de boornitridecel. Krediet:Universiteit van Illinois in Chicago
Met een nieuwe microscopietechniek die is ontwikkeld aan de Universiteit van Illinois in Chicago, kunnen onderzoekers voor het eerst vloeistoffen visualiseren op nanoschaalniveau - ongeveer 10 keer meer resolutie dan met traditionele transmissie-elektronenmicroscopie.
Door minuscule hoeveelheden vloeistof op te sluiten tussen twee tweedimensionale lagen boornitride, het vloeibare monster kan met een extreem hoge resolutie worden afgebeeld met behulp van een traditionele transmissie-elektronenmicroscoop en spectroscopietechnieken. Deze benadering zou informatie kunnen verschaffen over de trillingstoestand van individuele moleculen.
De nieuwe techniek kan worden gebruikt om tracers op nanoschaal te volgen die worden gebruikt in biologisch onderzoek, en om processen te visualiseren op grensvlakken tussen vloeistof en vaste stof met een ongekende resolutie. Met behulp van hun gespecialiseerde monsterhouder, of boornitride vloeibare cel, de onderzoekers beschrijven unieke eigenschappen van water en zwaar water op nanoschaalniveau. Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde materialen .
"Hoewel het misschien vreemd lijkt om je te concentreren op iets dat zo goed begrepen lijkt als water, er zijn nog steeds dingen die we niet begrijpen als het op nanoschaal is beperkt, " zei Robert Klie, UIC hoogleraar natuurkunde en senior auteur van het artikel. "Zoveel toepassingen in energie, katalyse, chemie en biologie zijn afhankelijk van interacties op nanoschaal in water, die we met de momenteel beschikbare meettechnieken niet hebben kunnen visualiseren."
"Met onze gespecialiseerde cel, we kunnen kijken naar het trillingsgedrag van water en beginnen te onderzoeken hoe het werkt in extreem kleine hoeveelheden opgesloten in de boornitride-lagen, " zei Jacob Jokisaari, corresponderend auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling natuurkunde aan de UIC.
Eerst, de onderzoekers moesten het probleem oplossen van hoe kleine hoeveelheden vloeistof te isoleren ter voorbereiding op scanning transmissie-elektronenmicroscopie, die een gefocusseerde elektronenstraal gebruikt om monsters af te beelden. Normaal gesproken, monsters moeten worden ingevroren of ingekapseld in epoxy en vervolgens superdun gesneden voordat ze onder de elektronenstraal worden geplaatst, waarbij de gebruiker slechts een paar seconden de tijd heeft om foto's van het monster te maken voordat het verdampt.
"We wilden kijken naar kleine hoeveelheden vloeistof, en we wendden ons tot nanomaterialen om de vloeistof in te kapselen en te ondersteunen zonder de metingen te beïnvloeden, "Zei Klie. "Omdat de tweedimensionale materialen uit slechts één laag atomen bestaan, ze hebben nauwelijks invloed op de elektronenstraal die wordt gebruikt om de vloeistof af te beelden, toch zijn ze sterk genoeg om de vloeistofbel in het vacuüm van de microscoop te houden."
Na het testen van verschillende tweedimensionale materialen, de onderzoekers kwamen uiteindelijk uit op nanolagen boornitride. Dit materiaal kon de watermoleculen bevatten en is transparant voor de infrarode straling die wordt gegenereerd door de trillende watermoleculen. Maar de vooruitgang was traag.
"Dit zijn extreem kleine en fragiele stukjes materiaal - het duurde maanden om ze vast te houden en te manipuleren, ' zei Klie.
Het duurde bijna vier jaar voordat het team in staat was om water te sandwichen, en zijn neef, zwaar water, tussen de boornitride-lagen en in de universitaire transmissie-elektronenmicroscoop op zijn plaats krijgen.
"We kunnen met onze microscoop een energieresolutie van ongeveer 350 milli-elektronenvolt bereiken, maar we wisten dat we betere resoluties nodig hadden om de trillingseigenschappen van water te meten. We hadden toegang nodig tot een betere microscoop, "Zei Klie. Een elektronvolt is een meeteenheid die kan worden gebruikt om de energie van trillende deeltjes te beschrijven.
Het team bracht hun boornitride-cel naar het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy in Tennessee, waar onderzoekers van het Centre for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, hebben toegang tot een scanning transmissie-elektronenmicroscoop met een van 's werelds beste energieresoluties. Met behulp van die microscoop, Klie en collega's konden zien dat wanneer geïsoleerd in kleine hoeveelheden, water gedraagt zich anders.
"We zagen dat er een verschuiving was in de trillingsfrequentie ervan in kleine hoeveelheden in onze cel, " zei Jordan Hachtel, een postdoctoraal onderzoeker aan het Oak Ridge National Laboratory en een auteur van het artikel.
Normaal gesproken, water in grote hoeveelheden trilt bij 420 milli-elektron volt, maar Klie was getuige van het feit dat water dat in zijn cel opgesloten zat, trilde met 406 milli-elektronvolt.
De onderzoekers gebruikten de elektronenmicroscoop met hoge energieresolutie om ook zwaar water te visualiseren - waar in plaats van twee waterstofatomen gebonden aan een zuurstofatoom, de waterstofatomen worden vervangen door deuterium, dat is zwaarder dan waterstof. Zwaar water wordt vaak gebruikt om moleculen die van belang zijn in experimenten te labelen. Hoewel het mogelijk was om de locatie van zwaar water in cellen te identificeren, het is nog nooit eerder gevisualiseerd met het resolutieniveau dat wordt geboden door de nieuwe techniek van Klie.
Eerder werk kijkt naar de elektrochemie van water op macro- of micrometerniveau, waar eigenschappen worden gemiddeld over een groot volume. Maar elektrochemische reacties zien er heel anders uit als ze op een voldoende kleine schaal worden onderzocht.
"Meten hoe water bindt en interageert met andere stoffen, zoals op een grensvlak waar water iets anders raakt, of interacties die plaatsvinden in water zoals corrosie van metalen, tot nu toe onmogelijk was op nanoschaalniveau, " zei Jokisaari. "Dit werk maakt de weg vrij voor het onderzoek van elektrochemie en het atomaire niveau, waar theorie gebaseerd op computermodellering ver vooruit is op experimentele technieken."
"Deze nieuwe elektronenmicroscopietechniek laat ons fysische en chemische processen zien die plaatsvinden in een vloeibare omgeving op nanoschaalniveau - veel kleinere volumes dan wat kan worden gemeten met andere momenteel beschikbare methoden, " zei Klie. "Op zulke kleine schaal, het gedrag van iets dat we als basaal beschouwen, als water, veranderingen als individuele atoombindingen, lokale elektrische velden en de nabijheid van oppervlakken beginnen het normale gedrag te beïnvloeden."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com