Tarkempi kuva nano-maailmasta

Suspense: 100 in the Dark / Lord of the Witch Doctors / Devil in the Summer House (Saattaa 2019).

Anonim

Ne voivat olla pieniä ja näkymättömiä, sanoo Xiaoji Xu, mutta kaasujen suspensioissa olevat aerosolihiukkaset vaikuttavat pilvien muodostumiseen ja ympäristön pilaantumiseen ja voivat olla haitallisia ihmisten terveydelle.

Aerosolihiukkaset, jotka löytyvät sameudesta, pölystä ja ajoneuvon pakokaasusta, mitataan mikroneissa. Yksi mikroni on miljoonaosa metriin; ohut hiukset ovat noin 30 mikronin paksuisia.

Hiukkaset, sanoo Xu, ovat joukossa monia materiaaleja, joiden kemiallisia ja mekaanisia ominaisuuksia ei voida täysin mitata, kunnes tutkijat kehittävät paremman menetelmän materiaalien tutkimiseksi mikroskooppikuvauksessa sekä paljon pienemmässä nanomittakaavassa (1 nm on miljardinosa metristä).

Xu, kemian apulaisprofessori, on kehittänyt tällaisen menetelmän ja hyödyntänyt sitä tekemään erilaisia ​​materiaaleja, jotka eivät ole invasiivisia kemiallisia kuvantamisia, sekä mekaanisen kartoituksen, jonka tilavuusresoluutio on 10 nanometriä.

Tekniikka, jota kutsutaan huipputeho-infrapuna- (PFIR) mikroskopiaksi, yhdistää spektroskopian ja skannaavan koettimikroskopian. Sen lisäksi, että Xu kertoo aerosolipartikkeleista, PFIR auttaa tutkijoita tutkimaan mikro- ja nanokokoisia ilmiöitä monissa epähomogeenisissa materiaaleissa.

"Luonnon materiaalit ovat harvoin homogeenisia", sanoo Xu. "Funktionaaliset polymeerimateriaalit koostuvat usein nanomittakaavista domeeneista, joilla on erityistehtäviä. Solukalvot on upotettu proteiineihin, jotka ovat kooltaan nanometreja. Materiaalien nanomateriaalivirheet vaikuttavat niiden mekaanisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin.

"PFIR-mikroskoopilla on perustavanlaatuinen läpimurto, joka mahdollistaa useita innovaatioita aloilla, jotka ulottuvat aerosolihiukkasten tutkimuksesta heterogeenisten ja biologisten materiaalien tutkimukseen", Xu kertoo.

Xu ja hänen ryhmänsa äskettäin raportoivat tuloksistaan ​​artikkelissa "Nanomittakausi samanaikaisen kemiallisen ja mekaanisen kuvantamisen huippuvoimaisen infrapunamikroskopian avulla". Artikkeli julkaistiin Science Advances -lehti, joka julkaisee Science-lehteä.

Artikkelin johtava kirjailija on Le Wang, Ph.D. opiskelija Lehighissa. Yhteistyökumppaneita ovat Xu ja Lehigh Ph.D. opiskelijat Haomin Wang ja Devon S. Jakob sekä Martin Wagner, Bruker Nano Santa Barbara, Calif., ja Yong Yan New Jersey Institute of Technology.

"PFIR-mikroskopia mahdollistaa luotettavan kemiallisen kuvantamisen, laajakaista- spektrien kokoamisen ja samanaikaisen mekaanisen kartoituksen yhdellä yksinkertaisella kokoonpanolla, jonka spatiaalinen resoluutio on ~ 10 nm", ryhmä kirjoitti.

"Olemme tutkineet kolmenlaisia ​​edustavia materiaaleja, nimittäin pehmeitä polymeerejä, perovskitikiteitä ja boorinitridin nanoputkia, jotka kaikki tarjoavat vahvan PFIR-resonanssin yksiselitteiselle nanokemialliselle tunnistukselle. Monet muut materiaalit sopivat myös multimodaaliseen karakterisointiin, että PFIR-mikroskooppi on tarjottava.

"Yhteenvetona, PFIR-mikroskoopilla saadaan voimakas analyyttinen työkalu nollaveden tutkimuksille laajan tieteenalojen kesken."

Xu ja Le Wang julkaisivat myös äskettäin artikkelin PFIR: n käytöstä aerosolien tutkimiseen. Nimeltään "Yksittäisten aerosolihiukkasten nanoskaalispektroskooppinen ja mekaaninen luonnehdinta huipputehokas infrapunamikroskopialla", artikkeli ilmestyi Kemiallisen viestinnän julkaisusta "Emerging Investigators", Royal Society of Chemistry -lehdessä. Xu otettiin esiin uutena tutkijana. Artikkeli toimi yhteistyössä Macaon yliopiston ja Hongkongin kaupungin yliopiston kanssa sekä Kiinassa.

PFIR saa samanaikaisesti kemiallisia ja mekaanisia tietoja, sanoo Xu. Sen avulla tutkijat voivat analysoida materiaalia eri paikoissa ja määrittää sen kemialliset koostumukset ja mekaaniset ominaisuudet kussakin näistä paikoista nanomittakaavassa.

"Materiaali ei ole usein homogeeninen", sanoo Xu. "Sellaiset biologiset järjestelmät, kuten soluseinät, ovat epähomogeenisia, ja ne ovat myös materiaaleja, joilla on vikoja. Soluseinän ominaisuudet ovat kooltaan noin 100 nanometriä, sijoittamalla ne hyvin PFIR: n ja sen ominaisuuksia."

PFIR: llä on useita etuja lähikuva-optisen mikroskopian (SNOM) skannauksen, nykyisen materiaalin ominaisuuksien mittaamismenetelmän, mukaan Xu. Ensinnäkin PFIR saa täydellisemmän infrapunaspektrin ja terävämmän kuvan - 6 nm: n spatiaalinen resoluution - laajemmasta materiaalimäärästä kuin SNOM. SNOM toimii hyvin epäorgaanisten materiaalien kanssa, mutta ei saa yhtä voimakasta infrapunasignaalia kuin Lehigh-tekniikka tekee pehmeämmistä materiaaleista, kuten polymeereistä tai biologisista materiaaleista.

"Meidän tekniikka on kestävämpi", sanoo Xu. "Se toimii paremmin pehmeillä materiaaleilla, kemiallisilla ja biologisilla."

PFIR: n toinen etu on se, että se pystyy suorittamaan mitä Xu kutsuu pistepektroskopiaksi.

"Jos kemiallisella pinnalla on jotain mielenkiintoista", Xu sanoo, "laittoin AFM: n (atomivoimamikroskopian) koetin tähän kohtaan mittaamaan huipputehon infrapunavaste.

"Näitä spektrejä on hyvin vaikea saada nykyisen sirontapyyhkäisyn lähikentisellä optisella mikroskoopilla, mutta se vaatii erittäin kalliita valonlähteitä, menetelmämme käyttää kapeakaistaista infrapuna-laseria ja se maksaa noin 100 000 dollaria. menetelmä käyttää laajakaistavalolähdettä ja maksaa noin 300 000 dollaria. "

Kolmas etu, Xu sanoo, on se, että PFIR saa mekaanisen sekä kemiallisen vasteen materiaalista.

"Mikään muu spektroskooppitekniikka ei voi tehdä tätä", sanoo Xu. "Onko materiaali jäykkä tai pehmeä? Onko se epähomogeeninen - onko se pehmeä yhdellä alueella ja jäykkä toisessa? Kuinka koostumus vaihtelee pehmeästä jäykkään alueeseen? Materiaali voi olla suhteellisen jäykkä ja sillä on eräänlainen kemiallinen koostumus yhtä aluetta ja olla suhteellisen pehmeä toisen koostumustyypin kanssa toisella alueella.

"Menetelmämme saa aikaan kemiallisia ja mekaanisia tietoja samanaikaisesti, ja se on hyödyllistä analysoida materiaalia eri paikoissa ja määrittää sen koostumukset ja mekaaniset ominaisuudet kussakin näistä paikoista nanomittakaavassa."

PFIR: n neljäs etu on sen koko, sanoo Xu.

"Käytämme pöytämallilaitetta infrapunaspektrien saamiseksi, koska meillä on erittäin kompakti valonlähde verrattuna kilpailevien valonlähteiden paljon suurempaan kokoon." Laseremme vastaa kemiallisen koostumuksen keräämisestä. AFM: n. Yhdistämme kaksi mittaustyyppiä yhdeksi laitteeksi, jotta saisimme samanaikaisesti kahta tiedon kanavaa. "

Vaikka PFIR ei toimi nestemäisten näytteiden kanssa, Xu sanoo, se voi mitata kuivattujen biologisten näytteiden ominaisuuksia, mukaan lukien soluseinät ja proteiinin aggregaatit, saavuttaen 10 nm: n spatiaalisen resoluution ilman värjäystä tai geneettistä modifikaatiota.

menu
menu