Микроскопия визуализирует вибрацию водных молекул

Впервые исследователи из Университета штата Иллинойс в Чикаго разработали инновационный метод микроскопии, который позволяет визуализировать жидкости на наноуровне – почти в 10 раз больше разрешения, чем достигается с помощью обычной просвечивающей электронной микроскопии. ]

Схематический чертеж ячейки нитрида бора. (Image credit: UIC)

. Захват очень небольшого количества жидкости между двумя двумерными слоями нитрида бора позволяет отображать жидкий образец с удивительно высоким разрешением с помощью обычного просвечивающего электронного микроскопа и методов спектроскопии. Эта стратегия могла бы предложить информацию, связанную с колебательным состоянием отдельных молекул.

Инновационная техника может использоваться для слежения за наноразмерными трассерами, используемыми в биологических исследованиях, а также для визуализации процессов, которые происходят на жидкостно-твердых интерфейсах с необычным разрешением. Исследователи использовали свой специализированный держатель образца или жидкую ячейку нитрида бора, чтобы подробно описать отличительные характеристики воды и тяжелой воды в наномасштабе. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials .

Хотя может показаться странным сосредоточиться на чем-то, казалось бы, хорошо понимаемом как вода, все еще есть вещи, которые мы не понимаем, когда они ограничены на наноуровне. . Так много применений в области энергии, катализа, химии и биологии зависят от наномасштабных взаимодействий в воде, которые мы не смогли визуализировать с использованием имеющихся в настоящее время методов измерения .

Роберт Кли, Профессор физики и старший преподаватель UIC

«[1945902]« Используя нашу специализированную ячейку, мы можем посмотреть на колебательное поведение воды и начать исследовать, как она действует в чрезвычайно малых количествах, заключенных в слоях нитрида бора », – заявил Якоб Йокисаари, автор доклад и докторант-исследователь в отделе физики МСЖД.

Первоначально исследователям пришлось преодолеть проблему поиска способа выделения очень небольшого количества жидкости для подготовки к сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, которая включает использование сфокусированного пучка электронов для образцов изображений. В общем, образцы должны быть заморожены или заключены в эпоксидную смолу, а затем нарезаны сверхтонкой, а затем помещены под электронным лучом, где пользователь имеет всего несколько секунд под рукой, чтобы захватывать изображения образца до его испарения.

« Мы хотели посмотреть на небольшое количество жидкости, и мы обратились к наноматериалам, чтобы инкапсулировать и поддерживать жидкость, не влияя на измерения », – заявил Кли. « Поскольку двумерные материалы состоят только из одного слоя атомов, они едва влияют на электронный пучок, используемый для изображения жидкости, но они достаточно сильны, чтобы удерживать пузырь жидкости внутри вакуума микроскопа »

После изучения ряда двумерных материалов, команда, наконец, решила использовать нанослои нитрида бора. Этот материал обладает способностью содержать молекулы воды и прозрачен для инфракрасного излучения, создаваемого молекулами вибрирующей воды. Однако прогресс был очень постепенным.

« Это чрезвычайно крошечные и хрупкие кусочки материала – только обучение тому, как удержать и манипулировать ими, заняло несколько месяцев », – заявил Кли.

Потребовалось почти четыре года, чтобы исследователи успешно сэндвич-вода и ее двоюродный брат, тяжелая вода, между слоями нитрида бора и помещали его в точное положение в университетском электронном микроскопе.

« Мы могли получить около 350 миллиэлектронвольтных энергетических разрешений с помощью нашего микроскопа, но мы знали, что нам нужны лучшие разрешения для измерения вибрационных свойств воды. Нам нужен был доступ к лучшему микроскопу – заявил Кли. Электронное вольт – это единица измерения, которая может быть использована для описания энергии вибрационных частиц.

Исследователи взяли свою ячейку нитрида бора в Национальную лабораторию Oak Ridge в Департаменте энергетики штата Теннесси, где ученые из Центра нанофазных Материаловедческих Наук, Министерства энергетики США, имеют доступ к сканирующему электронному электронному микроскопу с одним лучших энергетических разрешений в мире. С помощью этого микроскопа Кли и коллеги могли наблюдать, что вода ведет себя по-разному, когда изолирована в крошечных количествах.

« Мы видели, что колебания частоты колебались в небольших количествах в нашей камере », – заявила Иордан Хахтель, аспирант из Национальной лаборатории Ок-Ридж и один из авторов бумага.

Вообще, вода в больших количествах вибрирует при 420 миллиэлектронных вольтах. Тем не менее, Кли отметил, что вода, заключенная в его клетке, вибрирует при 406 миллиэлектронных вольтах.

Команда также визуализировала тяжелую воду с использованием электронного микроскопа с высоким разрешением. В случае тяжелой воды два атома водорода, связанные с атомом кислорода, заменяются дейтерием, более тяжелым, чем водород. Тяжелая вода обычно используется для мечения молекул, представляющих интерес для экспериментов. Хотя исследователи смогли определить местоположение тяжелой воды в клетках, она никогда не была визуализирована с уровнем разрешения, обеспечиваемым инновационной техникой Кли.

В более ранних исследованиях исследовалась электрохимия воды на уровне макро- или микрометров, где свойства усредняются по большому объему. Однако электрохимические реакции очень сильно отличаются при исследовании в достаточно малом масштабе

« Измерение того, как связь воды и взаимодействия с другими веществами, такими как интерфейс, где вода касается чего-то другого, или взаимодействия, которые происходят в воде, такие как коррозия металлов, на наноразмерном уровне до сих пор – заявил Джокисаари. « Эта работа открывает путь для изучения электрохимии и атомного уровня, где теория, основанная на компьютерном моделировании, опередила экспериментальные методы ».

« Этот новый метод электронной микроскопии позволяет нам видеть, что физические и химические процессы происходят в жидкой среде на наноразмерном уровне – гораздо меньшие объемы, чем то, что можно измерить другими доступными в настоящее время методами », – заявил Кли. « В таких небольших масштабах поведение того, что мы считаем основным, подобно воде, изменяется как индивидуальные атомные связи, локальные электрические поля и близость поверхностей начинают влиять на его нормальное поведение »

Сюань Ху, Ариджита Мукерджи и Кануэй Ван из Университета Иллинойса в Чикаго; Хуан-Карлос Идробо из Национальной лаборатории Оук-Ридж; Андреа Коненна и Хавьер Айзпуруа из Центра материальной физики в Испании; и Трейси Лавджой, Никлас Деллби и Ондрей Криванек из компании «Нион» в Киркленд, штат Вашингтон, являются соавторами статьи.

Это исследование было частично профинансировано грантами Национального научного фонда (DMR-0959470 и DMR-1626065) и грантом (FIS2016-80174-P) от министерства Испании.

Source link