เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ขั้นสูงเผยให้เห็นด้านใหม่ของน้ำในระดับนาโน

Anonim

เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ใหม่ที่พัฒนาขึ้นในมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ในชิคาโกช่วยให้นักวิจัยสามารถมองเห็นภาพของเหลวในระดับนาโนได้ถึง 10 เท่ามากกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบดั้งเดิมเป็นครั้งแรก

ด้วยการดักจับปริมาณของเหลวเล็กน้อยระหว่างสองชั้นสองมิติของโบรอนไนไตรด์ตัวอย่างของเหลวสามารถถ่ายภาพได้ที่ความละเอียดสูงมากโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบดั้งเดิมและเทคนิคสเปกโตรสโกปี วิธีนี้สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะการสั่นของแต่ละโมเลกุล

เทคนิคใหม่นี้สามารถนำมาใช้เพื่อติดตามการใช้ตัวบ่งชี้ขนาดนาโนที่ใช้ในการวิจัยทางชีววิทยาและเห็นภาพกระบวนการที่ส่วนติดต่อของของเหลวและของแข็งที่ความละเอียดไม่เคยมีมาก่อน นักวิจัยได้ใช้ตัวยึดตัวอย่างเฉพาะของพวกเขาหรือโบรอนไนไตรด์เหลวเหลวนักวิจัยได้อธิบายถึงคุณสมบัติเฉพาะของน้ำและน้ำหนักในระดับนาโน พวกเขารายงานการค้นพบของพวกเขาในวารสาร Advanced Materials

"ในขณะที่ดูเหมือนจะแปลกที่จะให้ความสำคัญกับสิ่งที่ดูเหมือนจะเข้าใจได้ดีว่าเป็นน้ำ แต่ก็ยังมีสิ่งที่เราไม่เข้าใจเมื่อถูก จำกัด ไว้ที่ระดับนาโน" โรเบิร์ตคลีกีส์ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และผู้เขียนอาวุโสของ UIC กล่าว "การประยุกต์ใช้พลังงานปฏิกิริยาเคมีและชีววิทยามากมายขึ้นอยู่กับการปฏิสัมพันธ์ของนาโนในน้ำซึ่งเราไม่สามารถเห็นภาพได้โดยใช้เทคนิคการวัดที่มีอยู่ในปัจจุบัน"

"การใช้เซลล์เฉพาะของเราเราสามารถดูพฤติกรรมการสั่นของน้ำและเริ่มสำรวจว่ามันทำหน้าที่อย่างไรในปริมาณที่น้อยมากที่ถูกคุมขังอยู่ภายในชั้นโบรอนไนไตรด์" Jacob Jokisaari ผู้เขียนบทความและนักวิจัยหลังปริญญาเอกกล่าว ภาควิชาฟิสิกส์ที่ UIC

ประการแรกนักวิจัยต้องแก้ปัญหาเกี่ยวกับวิธีการแยกจำนวนของเหลวขนาดเล็กที่เตรียมไว้สำหรับการสแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านซึ่งใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มุ่งเน้นไปยังตัวอย่างภาพ โดยปกติแล้วตัวอย่างจะต้องแช่แข็งหรือหุ้มด้วยอีพ็อกซี่และหั่นเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยก่อนที่จะถูกวางไว้ใต้ลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งผู้ใช้จะมีเวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการถ่ายภาพตัวอย่างก่อนที่มันจะกลายเป็นไอ

"เราต้องการมองหาของเหลวเล็ก ๆ น้อย ๆ และเราหันมาใช้วัสดุนาโนเพื่อห่อหุ้มและรองรับของเหลวโดยไม่มีผลต่อการวัด" Klie กล่าว เนื่องจากวัสดุสองมิติประกอบด้วยอะตอมชั้นเดียวพวกมันแทบจะไม่ส่งผลต่อคานอิเล็กตรอนที่ใช้ในการจับภาพของเหลว แต่พวกมันมีความแข็งแรงพอที่จะยึดฟองอากาศเหลวภายในสูญญากาศของกล้องจุลทรรศน์ได้ "

หลังจากการทดสอบวัสดุสองมิติหลายชนิดนักวิจัยได้ตัดสินใน nanolayers ของโบรอนไนไตรด์ วัสดุนี้สามารถบรรจุโมเลกุลของน้ำและโปร่งใสกับรังสีอินฟราเรดที่สร้างขึ้นโดยโมเลกุลของน้ำที่มีการสั่นสะเทือน แต่ความคืบหน้าช้า

"เหล่านี้เป็นชิ้นเล็กและเปราะบางของวัสดุ - เพียงแค่เรียนรู้วิธีการถือและจัดการกับพวกเขาเอาเดือน" Klie กล่าวว่า

ต้องใช้เวลาเกือบสี่ปีสำหรับทีมเพื่อให้สามารถดื่มน้ำแซนวิชและลูกพี่ลูกน้องของน้ำหนักระหว่างชั้นโบรอนไนไตรด์และทำให้มันเข้าสู่ตำแหน่งในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านของมหาวิทยาลัย

"เราสามารถลดความละเอียดพลังงานได้ถึง 350 milli อิเล็กตรอนโวลต์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ของเรา แต่เรารู้ว่าเราต้องการความละเอียดที่ดีกว่าในการวัดสมบัติการสั่นสะเทือนของน้ำเราจำเป็นต้องเข้าถึงกล้องจุลทรรศน์ที่ดีกว่า" Klie กล่าว อิเล็กตรอนโวลต์เป็นหน่วยวัดที่สามารถใช้อธิบายพลังงานของอนุภาคที่มีการสั่นสะเทือน

ทีมงานได้เอาเซลล์โบรอนไนไตรด์ของตนไปที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอกริดจ์แห่งเทนเนสซีใน Department of Energy ซึ่งนักวิจัยจากศูนย์ Nanophase Materials Sciences ซึ่งเป็นสำนักงานวิทยาศาสตร์ของผู้ใช้ DOE ได้เข้าใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราด ความละเอียดพลังงานที่ดีที่สุด เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์นั้น Klie และเพื่อนร่วมงานก็สามารถเห็นได้ว่าเมื่อแยกออกมาในปริมาณที่น้อยน้ำจะทำงานแตกต่างออกไป

"เราเห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงความถี่ในการสั่นสะเทือนเมื่อถูกคุมขังด้วยปริมาณเล็กน้อยในเซลล์ของเรา" Jordan Hachtel นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Oak Ridge National Laboratory และผู้เขียนรายงานกล่าว

โดยปกติแล้วน้ำในปริมาณมากจะสั่นสะเทือนที่แรงดันไฟฟ้า 420 milli อิเล็กตรอน แต่ Klie เห็นว่าน้ำที่ขังอยู่ในห้องขังอยู่ที่แรงดันไฟฟ้า 406 milli อิเล็กตรอน

นักวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงเพื่อให้เห็นภาพน้ำหนักซึ่งแทนที่อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมจะถูกยึดกับอะตอมของออกซิเจนไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยดิวเทอเรียมซึ่งหนักกว่าไฮโดรเจน น้ำที่หนักมักใช้เพื่อแท็กโมเลกุลที่น่าสนใจในการทดลอง แม้ว่าความสามารถในการระบุตำแหน่งของน้ำบาดาลในเซลล์ได้เป็นไปได้ แต่ก็ไม่เคยมีการเปิดเผยมาก่อนด้วยระดับความละเอียดที่ได้จากเทคนิคใหม่ของ Klie

งานก่อนหน้านี้ดูที่การไฟฟ้าของน้ำที่ระดับมาโครหรือไมโครมิเตอร์ซึ่งมีคุณสมบัติเฉลี่ยอยู่ในปริมาณมาก แต่ปฏิกิริยาทางเคมีจะแตกต่างกันมากเมื่อตรวจสอบในระดับที่เล็กพอ

Jokisaari กล่าวว่า "การวัดความสัมพันธ์ของน้ำและการมีปฏิสัมพันธ์กับสารอื่น ๆ เช่นในบริเวณที่สัมผัสกับสิ่งอื่นหรือปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นในน้ำเช่นการกัดกร่อนของโลหะเป็นไปไม่ได้ที่ระดับนาโน "งานนี้เป็นการปูทางสำหรับการตรวจสอบไฟฟ้าและระดับอะตอมซึ่งเป็นทฤษฎีที่อิงกับการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ได้ปลอมแปลงวิธีการล่วงหน้าของเทคนิคการทดลอง"

"เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบใหม่ช่วยให้เราสามารถมองเห็นกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมของเหลวในระดับนาโนเล็กกว่าปริมาณที่สามารถวัดได้ด้วยวิธีอื่นที่มีอยู่ในปัจจุบัน" กล่าวโดย Klie "ในระดับเล็ก ๆ พฤติกรรมของสิ่งที่เราคิดว่าเป็นพื้นฐานเช่นน้ำเปลี่ยนเป็นพันธบัตรอะตอมแต่ละเขตไฟฟ้าในประเทศและความใกล้ชิดของพื้นผิวเริ่มมีผลต่อพฤติกรรมปกติของ."

menu
menu