Esta nanohoja peptoide, producido por Gloria Olivier y Ron Zuckerman en Berkeley Lab, tiene menos de 8 nanómetros de espesor en los puntos. SINS permite adquirir imágenes espectroscópicas de estas nanoláminas ultrafinas por primera vez. Crédito:Berkeley Lab
(Phys.org) —Durante años, los científicos han tenido un picor que no pueden rascarse. Incluso con los mejores microscopios y espectrómetros, Ha sido difícil estudiar e identificar moléculas en la llamada mesoescala, una región de materia que varía de 10 a 1000 nanómetros de tamaño. Ahora, con la ayuda de luz infrarroja de banda ancha del sincrotrón Advanced Light Source (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), Los investigadores han desarrollado una técnica de imágenes de banda ancha que mira dentro de este ámbito con una sensibilidad y un alcance sin precedentes.
Combinando microscopía de fuerza atómica con luz de sincrotrón infrarroja, investigadores de Berkeley Lab y la Universidad de Colorado han mejorado la resolución espacial de la espectroscopia infrarroja en órdenes de magnitud, mientras cubre simultáneamente su rango espectroscópico completo, permitiendo la investigación de una variedad de nanoescala, mesoescala y fenómenos superficiales que antes eran difíciles de estudiar.
La nueva técnica, llamada nanoespectroscopia infrarroja de sincrotrón o SINS, permitirá un estudio en profundidad de sistemas moleculares complejos, incluidas las baterías líquidas, Células vivas, materiales electrónicos novedosos y polvo de estrellas.
"Lo importante es que estamos obteniendo espectroscopía infrarroja de banda ancha completa a una escala de 100 a 1000 veces menor, "dice Hans Bechtel, asociado principal de ingeniería científica en Berkeley Lab. "Este no es un logro incremental. Es realmente revolucionario".
en un procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias artículo publicado el 6 de mayo en línea, titulado "Imágenes nanoespectroscópicas infrarrojas de banda ultraancha, "Bechtel y Michael Martin de Berkeley Lab, un científico del personal de Berkeley Lab, y colegas del grupo de Markus Raschke en la Universidad de Colorado en Boulder describen SINS. Demuestran la capacidad del nanoscopio para capturar datos espectroscópicos de banda ancha en una variedad de muestras, incluido un sistema semiconductor-aislante, una concha de molusco, proteínas, y una nanohoja peptoide. Martin dice que estas demostraciones simplemente "arañan la superficie" del potencial de la nueva técnica.
Configuración experimental para SINS que incluye la fuente de luz de sincrotrón, un microscopio de fuerza atómica, un espectrómetro infrarrojo de transformación de Fourier de barrido rápido, un divisor de haz, espejos y un detector. Crédito:Berkeley Lab
Sincronización de ámbitos
SINS combina dos tecnologías infrarrojas preexistentes:una técnica más nueva llamada microscopía óptica de campo cercano de escaneo de dispersión infrarroja (IR s-SNOM) y un antiguo laboratorio de reserva, conocido incluso por los estudiantes universitarios de química, llamada espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Una combinación inteligente de estas dos herramientas, combinada con la intensa luz infrarroja del sincrotrón en Berkeley Lab les da a los investigadores la capacidad de identificar grupos de moléculas de tamaños tan pequeños como 20 a 40 nanómetros.
El nuevo enfoque supera las barreras de larga data con técnicas de microscopía preexistentes que a menudo implican requisitos técnicos y de preparación de muestras exigentes. La espectroscopia infrarroja utiliza luz de baja energía, es mínimamente invasivo, y es aplicable en condiciones ambientales, por lo que es una excelente herramienta para las identificaciones químicas y moleculares en sistemas tanto estáticos como vivos y dinámicos. La técnica funciona proyectando luz infrarroja de baja energía sobre una muestra molecular. Las moléculas se pueden considerar como sistemas de bolas (átomos) y resortes (enlaces entre átomos) que vibran con ondulaciones características; absorben radiación infrarroja a frecuencias que corresponden a sus modos de vibración naturales. La salida de esta absorción es un espectro, a menudo llamado huella digital, que muestra picos y caídas distintivos, dependiendo de los enlaces y átomos presentes en la muestra.
Una exploración de líneas espectrales de una concha de mejillón azul, que pasa de la calcita a la aragonita, ilustra la resolución espacial y las capacidades de rango espectroscópico de la técnica SINS. La imagen muestra dos modos vibratorios adquiridos simultáneamente en la región de transición. Crédito:Berkeley Lab
Pero la espectroscopia infrarroja también tiene sus desafíos. Si bien funciona bien para muestras a granel, la espectroscopia infrarroja tradicional no puede resolver la composición molecular por debajo de unos 2000 nanómetros. El mayor obstáculo es el límite de difracción de la luz, que es la barrera fundamental que determina el punto de foco de luz más pequeño y es particularmente problemático para las grandes longitudes de onda de la luz infrarroja. En años recientes, aunque, el límite de difracción se ha superado mediante una técnica llamada microscopía óptica de campo cercano de barrido de dispersión, o s-SNOM, que implica hacer brillar la luz sobre una punta metálica. La punta actúa como antena para la luz, dirigiéndolo a una pequeña región en su vértice de solo decenas de nanómetros de ancho.
Este truco es lo que se usa en IR s-SNOM, donde la luz infrarroja se acopla a una punta metálica. El desafío con IR s-SNOM, sin embargo, es que los investigadores se han basado en la luz infrarroja producida por láseres. Los láseres emiten una gran cantidad de fotones necesarios para la técnica, pero debido a que operan en una banda de longitud de onda estrecha, solo pueden sondear un rango estrecho de vibraciones moleculares. En otras palabras, la luz láser simplemente no puede brindarle la flexibilidad para explorar un espectro de moléculas mixtas.
Bechtel, El equipo de Martin y Raschke vio la oportunidad de usar ALS de Berkeley Lab para superar la limitación del láser. El sincrotrón del laboratorio produce luz infrarroja de banda ancha con un alto número de fotones que se puede enfocar hasta el límite de difracción. Los investigadores acoplaron la luz del sincrotrón a una punta metálica con un vértice de unos 20 nanómetros, enfocando el rayo infrarrojo sobre las muestras. El espectro resultante se analiza con un instrumento FTIR modificado.
"Este es en realidad uno de los pocos ejemplos en los que la luz de sincrotrón se ha acoplado a la microscopía de sonda de barrido, "dice Raschke." Además, la implementación de la técnica en el sincrotrón saca la nano-espectroscopia química y la formación de imágenes del laboratorio de unos pocos expertos en ciencia láser y la pone a disposición de una comunidad científica más amplia en una instalación de usuario ".
De los moluscos a las rocas lunares
El equipo demostró la técnica al confirmar la firma espectroscópica del dióxido de silicio en el silicio e ilustrando la transición química aguda que ocurre dentro de las conchas del mejillón azul ( M. edulis ). Adicionalmente, los investigadores observaron proteínas y una nanoplaca peptoide, un ingeniero película ultrafina de proteínas con aplicaciones médicas y farmacológicas.
Martin está emocionado por el potencial de SINS, que está disponible para que lo utilicen investigadores de cualquier institución. En particular, está interesado en una mirada más cercana a los sistemas de baterías, con la esperanza de que la comprensión de la química de la batería en la mesoescala pueda proporcionar información sobre un mejor rendimiento. Más lejos, él espera que SINS también sea útil para una variedad de bioquímica. "Esto insinúa un sueño que tuve en mi mente, mirar la superficie de una celda, dentro de la membrana bicapa, los canales, y receptores, "dice Martin." Si pudiéramos poner un aviso de PECADOS en una célula viva, podríamos ver la bioquímica en tiempo real ".
Bechtel, por su parte, está intrigado por la posibilidad de utilizar SINS para el estudio de rocas lunares, meteoritos y polvo de estrellas. Estos materiales extraterrestres tienen una diversidad molecular que es difícil de resolver a nanoescala, particularmente de una manera no destructiva para estas raras muestras. Una mejor comprensión de la composición de las rocas lunares y el polvo del espacio podría proporcionar pistas sobre la formación de los planetas y el sistema solar.
Raschke está utilizando la técnica para estudiar los procesos que limitan el rendimiento de las células solares orgánicas. Él busca mejorar aún más la flexibilidad de la técnica para que pueda aplicarse en condiciones atmosféricas y de baja temperatura variables y controladas. Entre otros ajustes, planea aumentar la sensibilidad de la técnica con el objetivo final de realizar espectroscopía química de una sola molécula.
