Cuando mucha energía golpea un átomo, puede desprender electrones, haciendo que el átomo sea extremadamente reactivo químicamente e iniciando una mayor destrucción. Por eso la radiación es tan peligrosa. También es la razón por la que las técnicas de imágenes de alta resolución que utilizan haces de electrones energéticos y rayos X pueden alterar, incluso aniquilar, las muestras que exploran. Por ejemplo, La monitorización de la dinámica de la batería mediante microscopía electrónica puede introducir artefactos que interfieran con los procesos electroquímicos. Otro ejemplo:el empleo de la espectroscopia de rayos X para ver el interior de una célula viva aniquila esa célula.

Ahora, Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han demostrado una forma no destructiva de observar objetos y procesos a nanoescala en condiciones que simulan sus entornos operativos normales. Comienzan con una "cámara ambiental" para encapsular una muestra en un líquido. La cámara tiene una ventana hecha de una membrana ultrafina (de 8 a 50 mil millonésimas de metro, o nanómetros, grueso). La punta de un microscopio de sonda de barrido se mueve a través de la membrana, inyectando microondas en la cámara. El dispositivo registra dónde se transmitió la señal de microondas frente a dónde se impidió y crea un mapa de alta resolución de la muestra.

Debido a que las microondas inyectadas son 100 millones de veces más débiles que las de un horno microondas doméstico, y oscilan en direcciones opuestas varios miles de millones de veces por segundo, por lo que las reacciones químicas potencialmente destructivas no pueden continuar, la técnica ORNL-NIST produce solo un calor insignificante y no destruye la muestra. Los científicos informan sobre su enfoque novedoso de combinar membranas ultrafinas con microondas y una sonda de exploración, llamada microscopía de impedancia de microondas de exploración, o sMIM — en la revista ACS Nano .

"Nuestras imágenes no son destructivas y están libres de los daños que con frecuencia se causan a las muestras, tales células vivas o procesos electroquímicos, mediante imágenes con rayos X o haces de electrones, "dijo el primer autor Alexander Tselev. Con sus colegas Anton Ievlev y Sergei Kalinin en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, Realizó análisis e imágenes de microondas de alta resolución. "Su resolución espacial es mejor que la que se puede lograr con microscopios ópticos para muestras en líquido similares. El paradigma puede convertirse en un instrumento para obtener información importante sobre los fenómenos electroquímicos, objetos vivos y otros sistemas a nanoescala existentes en los fluidos ".

Por ejemplo, La microscopía de microondas puede proporcionar una forma no invasiva de explorar importantes fenómenos superficiales que ocurren en la escala de mil millonésimas de metro. como la formación de una capa delgada que protege y estabiliza el electrodo de una batería nueva pero canibaliza su electrolito para hacer la capa. Microscopía de microondas, que permite a los científicos observar los procesos a medida que ocurren sin detenerlos en seco, permite caracterizar reacciones químicas en curso en diferentes etapas.

"En NIST, desarrollamos cámaras ambientales con membranas ultrafinas para realizar microscopía electrónica y otras técnicas analíticas en líquidos, "dijo el autor principal Andrei Kolmakov. Él y su colega Jeyavel Velmurugan en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST hicieron cámaras para encerrar objetos y procesos en ambientes líquidos y realizaron caracterizaciones preliminares para identificar células biológicamente interesantes". Las conversaciones entre los científicos de ORNL y NIST dieron como resultado la idea de probar microondas no destructivas para que las cámaras ambientales pudieran usarse para estudios más amplios. Hay muy pocos grupos en el mundo que pueden tomar imágenes con alta resolución usando microondas, y CNMS está entre ellos. El diseño del experimento y el ajuste de la tecnología para la obtención de imágenes requirieron la experiencia de ORNL ".

Los investigadores de ORNL y NIST combinaron tecnologías existentes de nuevas formas y encontraron un enfoque único que puede resultar útil en el diagnóstico médico. investigación forense y de materiales.

"Por primera vez, somos capaces de obtener imágenes a través de una membrana muy fina, "Dijo Tselev." Las microondas y la microscopía de sonda de barrido lo permitieron ".

La herramienta adecuada para el trabajo

Para crear imágenes de materiales muy ordenados, como cristales, los investigadores pueden emplear técnicas como la dispersión de neutrones y la difracción de rayos X. Para obtener imágenes de materiales menos ordenados, como las membranas de células vivas, o procesos, como reacciones químicas en curso, el equipo de ORNL-NIST colaboró ​​estrechamente para innovar la herramienta adecuada para el trabajo.

Una vez que los científicos combinaron la cámara ambiental con una capacidad de escaneo de microondas, investigaron un sistema modelo para ver si su nueva técnica funcionaría y establecer una línea de base para experimentos futuros. Utilizaron el sistema sMIM para mapear partículas de poliestireno que se autoensamblan en estructuras densamente empaquetadas en un líquido.

Con esa prueba de principio lograda, luego preguntaron si su sistema podía discriminar entre plata, que es un conductor eléctrico, y óxido de plata, un aislante, durante la galvanoplastia (una reacción inducida eléctricamente para depositar plata sobre una superficie). La microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido no son buenas para distinguir la plata del óxido de plata. Microscopía de microondas, a diferencia de, aisladores inequívocamente distinguidos de conductores. Próximo, los investigadores necesitaban saber que la observación con sMIM no introduciría artefactos, como la precipitación de plata, que puede causar la microscopía electrónica de barrido, un problema que no es trivial. "Un artículo enumera 79 reacciones químicas inducidas por electrones en el agua, "Señaló Tselev. Generalmente, La microscopía electrónica de barrido no permitirá a los científicos seguir la precipitación de plata para formar dendritas en crecimiento porque esa técnica es destructiva. "Las dendritas se comportan muy mal bajo un haz de electrones, "Tselev dijo. Con sMIM, No se produjeron artefactos electroquímicos ni interrupciones del proceso. "Mientras que sMIM no es la única técnica no destructiva, en muchos casos puede ser el único que se puede utilizar ".

A continuación, los investigadores tomaron imágenes de células vivas. Debido a que las células sanas y enfermas difieren en propiedades como la capacidad de almacenar energía eléctrica, El mapeo intracelular podría proporcionar una base para el diagnóstico. "La obtención de imágenes tomográficas (resolución en las profundidades) también es posible con microondas, "Dijo Tselev.

"Si tienes microondas, Puede profundizar de manera variable y obtener mucha información sobre la propia membrana de la célula biológica viva, la forma y las propiedades que dependen en gran medida de la composición química y el contenido de agua. que a su vez dependen de si la célula está sana o no ". Los investigadores pudieron detectar propiedades que distinguen a las células sanas de las enfermas.

En los experimentos actuales, el sistema permitió la observación cercana a las superficies. "Eso no significa que no podamos ver más a fondo si rediseñamos el experimento, ", Dijo Tselev." Las microondas pueden penetrar muy profundamente. La profundidad está básicamente limitada por el tamaño del contacto entre la sonda y la membrana celular ambiental ".

A continuación, los investigadores intentarán mejorar la sensibilidad y la resolución espacial de su sistema. Debido a que adelgazar las paredes de la cámara ambiental mejoraría la resolución, los investigadores intentarán hacer las paredes con grafeno o nitruro de boro hexagonal, ambos tienen un solo átomo de espesor. También utilizarán diferentes sondas y algoritmos de procesamiento de imágenes para mejorar la resolución a diferentes profundidades.