Una sola hebra de ADN. Los contaminantes tóxicos en una ráfaga de aire. Una muestra de pintura de una obra de arte invaluable. Copos de un meteorito marciano. Eso es solo una pequeña parte de lo que los científicos podrán examinar con el nuevo microscopio:un microscopio Raman de fuerza atómica, para ser exactos, ahora se encuentra en el Laboratorio Lammot du Pont de la Universidad de Delaware.

"UD se complace en agregar esta nueva herramienta importante y de vanguardia a nuestro conjunto de instrumentos para examinar materiales en alta resolución, "dijo Charles G. Riordan, vicepresidente de investigación, becas e innovación. "Con esta capacidad, Facultad de la UD, los estudiantes y el personal podrán impulsar la investigación y la educación en una amplia gama de campos, desde la ingeniería hasta las ciencias físicas y la conservación del arte ".

El nuevo microscopio ayudará a los investigadores a llegar a donde antes no podían. Los osciloscopios anteriores simplemente no tenían la resolución súper alta y el poder de descubrimiento de la química que tiene este.

"Este microscopio permitirá a los científicos ver objetos 10, 000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano, además de proporcionar información detallada sobre la superficie de un material y su química, "dijo Karl Booksh, profesor de química y bioquímica y la fuerza impulsora detrás de la exitosa propuesta de la UD a la National Science Foundation. NSF llegó con $ 558, 228 de sus programas de Instrumentación de investigación principal e Instrumentación de investigación química y el Programa establecido para estimular la investigación competitiva (EPSCoR). La Oficina de Investigación de la UD también ayudó a sufragar el costo del instrumento, que se compró a Horiba, un proveedor líder de sistemas de medición analíticos y científicos.

Esta nueva herramienta es un "dosificador científico, "combinando dos microscopios en uno. Un microscopio Raman, nombrado en honor al fallecido físico indio y Nobelista Sir Chandrashekhara Venkata Raman, escanea una muestra con un láser, interactuar con las vibraciones de la molécula de interés, dispersando la luz. Estos patrones de luz sirven como "huellas dactilares" para identificar las moléculas y para estudiar sus enlaces químicos y el grado de interactividad con otras moléculas.

Un microscopio de fuerza atómica escanea una muestra utilizando una pequeña sonda que proporciona información sobre la superficie, como su topografía, dureza, propiedades eléctricas y térmicas. Esta sonda, con punta de oro, es casi "atómicamente nítido, "lo que significa que es virtualmente capaz de detectar un solo átomo.

La combinación de ambas técnicas en un solo microscopio ofrece una gran cantidad de información simultáneamente. Y eso es importante para una serie de estudios en la Universidad y con colaboradores de la industria, así como instituciones asociadas como el Museo Winterthur.

Poniendo el osciloscopio a trabajar

Durante el verano de 2019, el estudiante de doctorado Devon Haugh y la estudiante de pregrado Savannah Talledo, un estudiante de Wofford College que participa en la Iniciativa de Liderazgo en Ciencias e Ingeniería financiada por NSF en la UD, utilizó el nuevo microscopio para estudiar los contaminantes del aire. Las pequeñas partículas de gas de los gases de escape de los vehículos y el hollín generado por la quema de carbón pueden impulsar el cambio climático y aumentar el riesgo de asma. enfermedad pulmonar, enfermedad cardíaca y otros problemas de salud. El microscopio ayudó a determinar la acidez de las partículas en el aire, lo que influye en la rapidez con que crecerán en la atmósfera.

"Comprender la acidez puede ayudarnos a mejorar las predicciones de cómo las partículas en el aire afectan la salud humana y el clima, "dijo Murray Johnson, profesor de química y bioquímica, quién está liderando el proyecto. "En un laboratorio convencional, la acidez se mide con un medidor de pH. Sin embargo, ese enfoque no funciona para partículas en el aire en la escala de tamaño submicrométrico, de ahí la necesidad de nuevos enfoques de medición como la microsonda Raman ".

Haugh se alegró de tener acceso al nuevo instrumento para su trabajo.

"Me preocupo por la salud de nuestro medio ambiente, ", dijo." Este proyecto me permite contribuir a una mejor comprensión y protección ".

Los expertos del Laboratorio de Análisis e Investigación Científica de Winterthur enfocarán el microscopio en las valiosas colecciones de textiles históricos del museo. así como sus pinturas de exportación chinas de los siglos XVIII y XIX, según Jocelyn Alcántara-García, profesor asistente y co-investigador de la beca. En la primera mitad del siglo XIX, con el impulso del comercio exterior por la apertura de puertos en China, Se importó a China una gran cantidad de pigmentos químicos sintéticos occidentales. Pronto, Estos pigmentos artificiales reemplazaron los pigmentos minerales y vegetales que los pintores chinos habían usado tradicionalmente en sus obras de arte. desde acuarelas hasta vidrio pintado al revés. El nuevo microscopio ayudará a los científicos de la conservación a comprender mejor este período de transición.

Alcántara-García dijo que utilizará el instrumento para comprender los fijadores que se usaron para fijar el tinte en textiles históricos. que ayudará a los conservadores de textiles y otros profesionales de los museos a determinar los mecanismos de degradación y las posibles intervenciones.

Resolviendo desafíos en la Tierra y Marte

Ahora, sobre esos meteoritos ... en una colaboración que comenzó cuando se incorporó a la facultad de la UD hace una década, Booksh está trabajando con el científico senior de Merck Joseph P. Smith, quien obtuvo su doctorado en química analítica en la UD, y con el profesor de Marietta College, Frank Smith, quien obtuvo su doctorado en geología en la UD, para desbloquear algunos de los secretos de los planetas a través de pistas proporcionadas por lunar, Meteoritos marcianos y asteroides. Las muestras llegaron al equipo con buena autoridad:del Centro Espacial Johnson de la NASA y del Smithsonian.

El interés principal del equipo es la composición química y las propiedades de estas rocas, que contienen "bolsas de choque" creadas a partir de todas las fracturas y derretimientos que ocurrieron cuando golpearon el suelo. Su química puede ayudar a revelar la geología y las atmósferas de sus planetas de origen. Smith dijo que el trabajo también podría ayudar a la búsqueda de vida en Marte en las misiones rover 2020 de la NASA y la Agencia Espacial Europea.

"Los rovers de la NASA y de la ESA tendrán, por primera vez, Espectrómetros Raman para ayudar a caracterizar los materiales de la superficie marciana, "Smith dijo." Como tal, nuestro trabajo de investigación de meteoritos puede ayudar a mejorar la búsqueda de vida en Marte mediante el desarrollo de metodologías óptimas de recopilación y análisis de datos ".

Booksh y Smith también están trabajando en otros problemas interesantes aquí mismo en la Tierra, como colaboradores en Merck &Co. Inc. y el proyecto UD que se enfoca en aplicaciones farmacéuticas. El equipo investigará el polimorfismo en el desarrollo de fármacos:la capacidad de un sólido de existir en dos o más formas cristalinas, cada uno con propiedades físicas y químicas muy diferentes. Los polimorfos son de particular interés para la industria farmacéutica porque una de estas formas puede ser tóxica, y más del 50 por ciento de los ingredientes farmacéuticos activos tienen más de un polimorfo.

"Esperamos desarrollar la próxima generación de técnicas analíticas que ayudarán a resolver estos complejos desafíos que enfrenta la industria farmacéutica, "Dijo Smith.