Pueden ser diminutos e invisibles dice Xiaoji Xu, pero las partículas de aerosol suspendidas en gases juegan un papel en la formación de nubes y la contaminación ambiental y pueden ser perjudiciales para la salud humana.

Partículas de aerosol, que se encuentran en la bruma, polvo y escape de vehículos, medir en micrones. Una micra es una millonésima parte de un metro; un cabello humano fino tiene un grosor de aproximadamente 30 micrones.

Las partículas, dice Xu, se encuentran entre los muchos materiales cuyas propiedades químicas y mecánicas no se pueden medir completamente hasta que los científicos desarrollen un mejor método para estudiar materiales a microescala, así como a nanoescala mucho más pequeña (1 nm es una mil millonésima parte de un metro).

Xu, un profesor asistente de química, ha desarrollado un método de este tipo y lo ha utilizado para realizar imágenes químicas no invasivas de una variedad de materiales, así como mapeo mecánico con una resolución espacial de 10 nanómetros.

La técnica, llamada microscopía infrarroja de fuerza máxima (PFIR), combina espectroscopia y microscopía de sonda de barrido. Además de arrojar luz sobre las partículas de aerosol, Xu dice, PFIR ayudará a los científicos a estudiar fenómenos a micro y nanoescala en una variedad de materiales no homogéneos.

"Los materiales de la naturaleza rara vez son homogéneos, ", dice Xu." Los materiales poliméricos funcionales a menudo consisten en dominios a nanoescala que tienen tareas específicas. Las membranas celulares están incrustadas con proteínas que tienen un tamaño de nanómetros. Existen defectos de materiales a nanoescala que afectan sus propiedades mecánicas y químicas.

"La microscopía PFIR representa un avance fundamental que permitirá múltiples innovaciones en áreas que van desde el estudio de partículas de aerosoles hasta la investigación de materiales heterogéneos y biológicos, "dice Xu.

Xu y su grupo informaron recientemente sus resultados en un artículo titulado "Imágenes químicas y mecánicas simultáneas a nanoescala mediante microscopía infrarroja de fuerza máxima". El artículo fue publicado en Avances de la ciencia , una revista de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, que también publica la revista Science.

El autor principal del artículo es Le Wang, un doctorado estudiante en Lehigh. Los coautores incluyen Xu y Lehigh Ph.D. estudiantes Haomin Wang y Devon S. Jakob, así como Martin Wagner de Bruker Nano en Santa Bárbara, Calif., y Yong Yan del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey.

"La microscopía PFIR permite obtener imágenes químicas confiables, la colección de espectros de banda ancha, y mapeo mecánico simultáneo en una configuración simple con una resolución espacial de ~ 10 nm, "escribió el grupo.

"Hemos investigado tres tipos de materiales representativos, a saber, polímeros blandos, cristales de perovskita y nanotubos de nitruro de boro, todo lo cual proporciona una fuerte resonancia PFIR para una identificación nanoquímica inequívoca. Muchos otros materiales también deberían ser adecuados para la caracterización multimodal que ofrece la microscopía PFIR.

"En resumen, La microscopía PFIR proporcionará una poderosa herramienta analítica para exploraciones a nanoescala en amplias disciplinas ".

Xu y Le Wang también publicaron un artículo reciente sobre el uso de PFIR para estudiar aerosoles. Titulado "Caracterización mecánica y espectroscópica a nanoescala de partículas de aerosol individuales utilizando microscopía infrarroja de fuerza máxima, "el artículo apareció en una edición de" Investigadores emergentes "de Comunicaciones químicas , una revista de la Royal Society of Chemistry. Xu apareció como uno de los investigadores emergentes en el tema. El artículo fue escrito en coautoría con investigadores de la Universidad de Macao y la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, ambos en China.

PFIR obtiene simultáneamente información química y mecánica, dice Xu. Permite a los investigadores analizar un material en varios lugares, y determinar sus composiciones químicas y propiedades mecánicas en cada uno de estos lugares, a nanoescala.

"Un material no suele ser homogéneo, "dice Xu." Sus propiedades mecánicas pueden variar de una región a otra. Los sistemas biológicos como las paredes celulares no son homogéneos, y también los materiales con defectos. Las características de una pared celular miden aproximadamente 100 nanómetros de tamaño, colocándolos dentro del alcance de PFIR y sus capacidades ".

PFIR tiene varias ventajas sobre el escaneo de microscopía óptica de campo cercano (SNOM), el método actual para medir las propiedades de los materiales, dice Xu. Primero, PFIR obtiene un espectro infrarrojo más completo y una imagen más nítida (resolución espacial de 6 nm) de una variedad más amplia de materiales que SNOM. SNOM funciona bien con materiales inorgánicos, pero no obtiene una señal infrarroja tan fuerte como la técnica de Lehigh a partir de materiales más suaves como polímeros o materiales biológicos.

"Nuestra técnica es más robusta, "dice Xu." Funciona mejor con materiales blandos, tanto químicos como biológicos ".

La segunda ventaja de PFIR es que puede realizar lo que Xu llama espectroscopia puntual.

"Si hay algo de interés químicamente en una superficie, "Xu dice, "Puse una sonda AFM [microscopía de fuerza atómica] en esa ubicación para medir la respuesta infrarroja de fuerza máxima.

"Es muy difícil obtener estos espectros con microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión actual. Se puede hacer, pero requiere fuentes de luz muy caras. Nuestro método utiliza un láser infrarrojo de banda estrecha y cuesta alrededor de $ 100, 000. El método actual utiliza una fuente de luz de banda ancha y cuesta alrededor de $ 300, 000 ".

Una tercera ventaja, dice Xu, es que PFIR obtiene una respuesta tanto mecánica como química de un material.

"Ningún otro método de espectroscopía puede hacer esto, "dice Xu." ¿Es un material rígido o blando? ¿Es heterogéneo, es blando en un área y rígido en otro? ¿Cómo varía la composición de las zonas blandas a las rígidas? Un material puede ser relativamente rígido y tener un tipo de composición química en un área, y ser relativamente suave con otro tipo de composición en otra área.

“Nuestro método obtiene simultáneamente información química y mecánica. Será útil para analizar un material en varios lugares y determinar su composición y propiedades mecánicas en cada uno de estos lugares, a nanoescala ".

Una cuarta ventaja de PFIR es su tamaño, dice Xu.

"Usamos un láser de sobremesa para obtener espectros infrarrojos. La nuestra es una fuente de luz muy compacta, a diferencia de los tamaños mucho más grandes de las fuentes de luz de la competencia. Nuestro láser se encarga de recopilar información sobre la composición química. Obtenemos información mecánica del AFM. Integramos los dos tipos de medidas en un solo dispositivo para obtener simultáneamente dos canales de información ".

Aunque PFIR no funciona con muestras líquidas, dice Xu, puede medir las propiedades de muestras biológicas secas, incluidas las paredes celulares y los agregados de proteínas, logrando una resolución espacial de 10 nm sin tinción ni modificación genética.