Fortgeschrittene Mikroskopietechniken zeigen neue Aspekte von Wasser im Nanobereich

Anonim

Eine neue Mikroskopietechnik, die an der Universität von Illinois in Chicago entwickelt wurde, ermöglicht erstmals die Visualisierung von Flüssigkeiten im Nanobereich - etwa zehnmal mehr Auflösung als bei der herkömmlichen Transmissionselektronenmikroskopie.

Indem winzige Mengen an Flüssigkeit zwischen zwei zweidimensionalen Schichten aus Bornitrid eingefangen werden, kann die flüssige Probe unter Verwendung eines herkömmlichen Transmissionselektronenmikroskops und von Spektroskopietechniken mit extrem hoher Auflösung abgebildet werden. Dieser Ansatz könnte Informationen über den Schwingungszustand einzelner Moleküle liefern.

Die neue Technik kann verwendet werden, um Tracer im Nanobereich zu verfolgen, die in der biologischen Forschung verwendet werden, und um Prozesse an Flüssig-Fest-Grenzflächen mit beispielloser Auflösung zu visualisieren. Mit ihrem speziellen Probenhalter oder einer Bornitrid-Flüssigzelle beschreiben die Forscher einzigartige Eigenschaften von Wasser und schwerem Wasser im Nanobereich. Sie berichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Materials .

"Es mag zwar seltsam erscheinen, sich auf etwas zu konzentrieren, das scheinbar so gut verstanden wird wie Wasser, aber es gibt immer noch Dinge, die wir nicht verstehen, wenn es auf Nanoebene begrenzt ist", sagte Robert Klie, UIC-Professor für Physik und leitender Autor der Arbeit. "So viele Anwendungen in Energie, Katalyse, Chemie und Biologie hängen von Wechselwirkungen im Wasser im Nanometerbereich ab, die wir mit den derzeit verfügbaren Messtechniken nicht darstellen konnten."

"Mit unserer spezialisierten Zelle können wir das Schwingungsverhalten von Wasser untersuchen und untersuchen, wie es in extrem kleinen Mengen innerhalb der Bornitridschichten wirkt", sagte Jacob Jokisaari, der korrespondierende Autor der Arbeit und Postdoc in der Arbeitsgruppe Abteilung für Physik an der UIC.

Zunächst mussten die Forscher das Problem lösen, wie winzige Mengen Flüssigkeit in Vorbereitung für das Scannen von Transmissionselektronenmikroskopie zu isolieren, die einen fokussierten Strahl von Elektronen verwendet, um Proben zu untersuchen. Normalerweise müssen die Proben eingefroren oder mit Epoxidharz ummantelt und dann superdünn geschnitten werden, bevor sie unter den Elektronenstrahl gelegt werden, wo der Benutzer nur ein paar Sekunden Zeit hat, um Bilder von der Probe aufzunehmen, bevor sie verdampft.

"Wir wollten winzige Mengen Flüssigkeit untersuchen und wandten uns Nanomaterialien zu, um die Flüssigkeit zu kapseln und zu stützen, ohne die Messungen zu beeinflussen", sagte Klie. "Da die zweidimensionalen Materialien nur aus einer Atomschicht bestehen, beeinflussen sie kaum den Elektronenstrahl, der für die Abbildung der Flüssigkeit verwendet wird. Dennoch sind sie stark genug, um die Flüssigkeitsblase im Mikroskopvakuum zu halten."

Nach dem Test mehrerer zweidimensionaler Materialien entschieden sich die Forscher schließlich für Nanoschichten aus Bornitrid. Dieses Material konnte die Wassermoleküle enthalten und ist für die von den vibrierenden Wassermolekülen erzeugte Infrarotstrahlung durchlässig. Aber der Fortschritt war langsam.

"Das sind extrem kleine und zerbrechliche Stücke Material - nur zu lernen, wie man sie hält und manipuliert, hat Monate gedauert", sagte Klie.

Es dauerte fast vier Jahre, bis das Team Wasser und sein Cousin schweres Wasser zwischen die Bornitridschichten legen konnte und es im Transmissionselektronenmikroskop der Universität in Position brachte.

"Wir konnten mit unserem Mikroskop eine Energieauflösung von etwa 350 Milli-Elektronenvolt erreichen, aber wir wussten, dass wir bessere Auflösungen benötigten, um die Schwingungseigenschaften von Wasser zu messen. Wir brauchten Zugang zu einem besseren Mikroskop", sagte Klie. Ein Elektronenvolt ist eine Maßeinheit, die zur Beschreibung der Energie schwingender Teilchen verwendet werden kann.

Das Team brachte ihre Bornitridzelle zum Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums in Tennessee, wo Forscher des Zentrums für Nanophasen-Materialwissenschaften, einer DOE-Nutzereinrichtung, Zugang zu einem Rasterelektronenmikroskop mit einem der weltweit führenden Forschungszentren haben beste Energieauflösungen. Unter Verwendung dieses Mikroskops konnten Klie und Kollegen sehen, dass Wasser, wenn es in winzigen Mengen isoliert wird, sich anders verhält.

"Wir haben gesehen, dass sich die Vibrationsfrequenz in kleinen Mengen in unserer Zelle verschoben hat", sagte Jordan Hachtel, Postdoktorand am Oak Ridge National Laboratory und Autor des Artikels.

Normalerweise vibriert Wasser in großen Mengen bei 420 Milli-Elektronenvolt, aber Klie sah, dass in seiner Zelle eingeschlossenes Wasser bei 406 Milli-Elektronenvolt vibrierte.

Die Forscher verwendeten das Hochenergie-Auflösungs-Elektronenmikroskop, um auch schweres Wasser zu visualisieren - wo anstelle von zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind, die Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt werden, das schwerer ist als Wasserstoff. Schweres Wasser wird oft verwendet, um Moleküle von Interesse in Experimenten zu markieren. Während es möglich war, den Ort von schwerem Wasser in Zellen zu identifizieren, war es möglich, es mit dem Auflösungsvermögen, das von Klie's neuer Technik geboten wird, zu visualisieren.

In früheren Arbeiten wurde die Elektrochemie von Wasser auf Makro- oder Mikrometerebene untersucht, wobei die Eigenschaften über ein großes Volumen gemittelt werden. Aber elektrochemische Reaktionen erscheinen sehr unterschiedlich, wenn sie in einem kleinen Maßstab untersucht werden.

"Zu messen, wie Wasser mit anderen Stoffen bindet und interagiert, etwa an einer Grenzfläche, wo Wasser etwas anderes berührt, oder Wechselwirkungen in Wasser wie Korrosion von Metallen, war bisher auf der Nanometerebene unmöglich", sagte Jokisaari. "Diese Arbeit ebnet den Weg für die Untersuchung der Elektrochemie und der atomaren Ebene, wo die auf Computermodellierung basierende Theorie den experimentellen Techniken weit voraus war."

"Diese neue Elektronenmikroskopietechnik lässt physikalische und chemische Prozesse in einer flüssigen Umgebung auf der Nanoebene sichtbar werden - weit geringere Volumina als das, was mit anderen derzeit verfügbaren Methoden gemessen werden kann", sagte Klie. "Auf solch kleinen Skalen verändert sich das Verhalten von etwas, das wir für grundlegend halten, wie Wasser, wenn einzelne atomare Bindungen, lokale elektrische Felder und die Nähe von Oberflächen beginnen, sein normales Verhalten zu beeinflussen."

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