Gelişmiş mikroskopi tekniği nano boyutta suyun yeni yönlerini ortaya koymaktadır.

Anonim

Chicago Üniversitesi'ndeki Chicago'da geliştirilen yeni bir mikroskopi tekniği, araştırmacıların sıvıları nano ölçekli seviyede görselleştirmelerine olanak tanıyor - ilk kez geleneksel transmisyon elektron mikroskobundakinden yaklaşık 10 kat daha fazla çözünürlük.

İki adet iki boyutlu bor nitrür tabakaları arasındaki sıvı miktarını hapsederek, sıvı örnek, geleneksel bir transmisyon elektron mikroskobu ve spektroskopi teknikleri kullanılarak son derece yüksek çözünürlükte görüntülenebilir. Bu yaklaşım, bireysel moleküllerin titreşim durumu hakkında bilgi sağlayabilir.

Yeni teknik, biyolojik araştırmalarda kullanılan nano ölçekli büyüklükteki izleyicileri takip etmek ve benzeri görülmemiş bir çözünürlükte sıvı-katı arayüzlerdeki işlemleri görselleştirmek için kullanılabilir. Araştırmacılar, uzman numune tutucularını veya bor nitrür sıvı hücresini kullanarak, nano ölçekli seviyede suyun ve ağır suyun benzersiz özelliklerini tarif ederler. Bulgularını Advanced Materials dergisinde rapor ediyorlar.

UIC'nin fizik profesörü ve kağıdın kıdemli yazarı Robert Klie, “Görünüşte su gibi anlaşılan bir şeye odaklanmak garip gelse de, nano boyutta sınırlandırıldığında hala anlamadığımız şeyler var” diyor. “Enerji, kataliz, kimya ve biyolojideki pek çok uygulama sudaki nanoölçek etkileşimlerine dayanmaktadır, ki şu anda mevcut ölçüm teknikleri kullanılarak görselleştiremedik.”

"Uzman hücremizi kullanarak, suyun titreşimsel davranışına bakabilir ve bor nitrür tabakaları içinde sınırlandırılmış son derece küçük miktarlarda nasıl davrandığını keşfetmeye başlayabiliriz, " diyerek makalenin yazarı ve doktora sonrası araştırmacıya karşılık gelen Jacob Jokisaari UIC'de fizik bölümü.

İlk olarak, araştırmacılar görüntü örneklerine odaklanmış bir elektron demeti kullanan transmisyon elektron mikroskobu taramaya hazırlanırken küçük miktarlarda sıvıların nasıl izole edileceği problemini çözmek zorundaydılar. Normalde, numuneler epoksi ile dondurulmalı veya kapatılmalı ve sonra elektron ışınının altına yerleştirilmeden önce süper-ince dilimlenmeli ve kullanıcının buharlaşmadan önce numunenin fotoğrafını çekmesi için birkaç saniyesi vardır.

Klie, "Çok az miktarda sıvıya bakmak istedik ve ölçümleri etkilemeden sıvıyı kapsüllemek ve desteklemek için nanomalzemelere döndük" dedi. “İki boyutlu materyaller sadece bir atom tabakasından oluştuğundan, sıvıyı görüntülemede kullanılan elektron demetini zar zor etkiliyorlar, ancak sıvı baloncuğu mikroskop boşluğunun içinde tutacak kadar güçlüler.”

Birkaç tane iki boyutlu malzemeyi test ettikten sonra, araştırmacılar nano katmanlı boron nitrürlere yerleşti. Bu malzeme su moleküllerini ihtiva edebildi ve titreşen su molekülleri tarafından üretilen kızılötesi radyasyona karşı şeffaftı. Ancak ilerleme yavaştı.

Klie, "Bunlar, son derece küçük ve kırılgan malzeme parçalarıdır - bunların nasıl tutulacağını ve manipüle edildiğini öğrenmek aylar sürdü" dedi.

Takımın, bor nitrür tabakaları arasında suyla ve kuzeniyle ağır suyla karışabilmesi ve üniversiteye geçiş elektron mikroskobunda yerini alması neredeyse dört yıl sürdü.

Klie, "Mikroskopumuzla yaklaşık 350 milital elektron voltluk enerji çözünürlüğüne ulaşabilirdik, ancak suyun titreşim özelliklerini ölçmek için daha iyi çözünürlüklere ihtiyacımız olduğunu biliyorduk. Daha iyi bir mikroskopa erişmemiz gerekiyordu, " dedi. Bir elektron volt, titreşen parçacıkların enerjisini tanımlamak için kullanılabilecek bir ölçüm birimidir.

Ekip, bor nitrür hücrelerini Tennessee'deki Energy's Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'na götürdü, burada bir Bilim Kullanıcı Tesisi DOE Ofisi olan Nanofaze Malzeme Bilimleri Merkezi'nde araştırmacılar, dünyanın bir tanesinde bir tarama transmisyon elektron mikroskobuna eriştiler. En iyi enerji kararları. Bu mikroskobu kullanarak Klie ve meslektaşları, küçük miktarlarda izole edildiğinde suyun farklı şekilde davrandığını görebildiler.

Oak Ridge Ulusal Laboratuarı'nda doktora sonrası araştırmacı ve makalenin yazarı Jordan Hachtel, “Hücredeki küçük miktarlarda sınırlı kaldığı zaman titreşim sıklığında bir değişiklik olduğunu gördük” dedi.

Normalde, büyük miktarlarda su 420 mili-elektron voltunda titreşir, ancak Klie hücresinde sıkışmış suyun 406 milli-elektron voltunda titreştiğine şahit oldu.

Araştırmacılar, yüksek enerjili elektron mikroskobunu da ağır suyu görselleştirmek için kullandılar - bunun yerine bir oksijen atomuna bağlanan iki hidrojen atomu yerine, hidrojenler hidrojenden daha ağır olan döteryumla değiştirildi. Ağır su, deneylere ilgi konusu molekülleri etiketlemek için sıklıkla kullanılır. Hücrelerde ağır suyun yerini tespit edebilmek mümkün olsa da, daha önce hiçbir zaman Klie'nin yeni tekniğinin sağladığı çözünürlük seviyesiyle görselleştirilmemiştir.

Önceki çalışma suyun elektrokimyasına makro veya mikrometre düzeyinde bakarak, özelliklerin büyük bir hacmin üzerinde olduğu görülmektedir. Ancak elektrokimyasal reaksiyonlar yeterince küçük ölçekte incelendiğinde çok farklı görünmektedir.

Jokisaari, "Suyun, başka bir şeye temas ettiği bir arayüzde veya metallerin korozyonu gibi sularda meydana gelen etkileşimlerin, diğer maddelerle nasıl etkileşime girdiğinin ve ölçülmesinin ölçülmesi, şu ana kadar nano boyutta mümkün olmamıştır." Dedi. "Bu çalışma, bilgisayar modellemesine dayanan teorinin deneysel tekniklerin önünü açtığı elektrokimyanın ve atom seviyesinin incelenmesinin önünü açıyor."

Klie, “Bu yeni elektron mikroskobu tekniği, nano boyutta sıvı bir ortamda gerçekleşen fiziksel ve kimyasal süreçleri görmemize izin veriyor; diğer mevcut yöntemlerle ölçülebilecek olandan çok daha küçük hacimler. “Bu kadar küçük ölçeklerde, su gibi temel, su, bireysel atomik bağlar, yerel elektrik alanları ve yüzeylerin yakınlığı normal davranışını etkilemeye başladıkça, bir şeyin davranışı gibi davranır.”

menu
menu