I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato uno strumento di imaging ottico per visualizzare la chimica della superficie in tempo reale. Hanno ripreso la chimica dell'interfaccia nella geometria microscopicamente confinata di un semplice micro-capillare di vetro. Il vetro è ricoperto da gruppi ossidrile (-OH) che possono perdere un protone, una reazione chimica molto studiata e importante in geologia, chimica e tecnologia. Un capillare lungo 100 micron ha mostrato una notevole diffusione nella costante di dissociazione del legame OH superficiale di un fattore di un miliardo. La ricerca è stata pubblicata in Scienza .

geologico, catalitico, i processi biologici e chimici sono guidati da eterogeneità chimiche superficiali, campi elettrostatici e flusso. Per comprendere questi processi e consentire l'ulteriore sviluppo di nuovi materiali e microtecnologie, i ricercatori del Laboratorio di biofotonica fondamentale (LBP) dell'EPFL hanno progettato un microscopio in grado di tracciare, in tempo reale, cambiamenti spaziali tridimensionali nella struttura molecolare e nella chimica dei sistemi confinati, come superfici curve e pori. Il microscopio è stato utilizzato per visualizzare la struttura chimica superficiale dell'interno di un microcapillare di vetro. Le mappe del potenziale di superficie sono state costruite dalle immagini al millisecondo, ed è stata determinata la costante di reazione chimica di ciascun pixel largo 188 nm. Sorprendentemente, questo sistema molto semplice - che viene utilizzato in molti dispositivi - ha mostrato una notevole diffusione nell'eterogeneità della superficie. I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati su Science. Il loro metodo sarà un vantaggio per la comprensione dei fondamentali (elettro)chimici, processi geologici e catalitici e per la costruzione di nuovi dispositivi.

Imaging di seconda armonica

Sylvie Roke, direttore della Julia Jacobi Chair of Photomedicine presso EPFL, ha sviluppato una serie unica di strumenti ottici per studiare l'acqua e le interfacce acquose su scala nanometrica. Usa la generazione della seconda armonica e della frequenza somma, che sono processi ottici in cui due fotoni di un certo colore vengono convertiti in un nuovo colore. "Il processo della seconda armonica coinvolge fotoni a femtosecondi da 1000 nm, ovvero 0.00000000000001 lampi di luce di secondo - essendo convertiti in fotoni di 500 nm, e questo si verifica solo alle interfacce, " dice Roke. "È quindi ideale per la microscopia interfacciale. Sfortunatamente, il processo è molto inefficiente. Ma usando una serie di trucchi ottici, come l'imaging ad ampio campo e il light shaping, siamo stati in grado di migliorare sia il rendimento delle immagini che la risoluzione, portando il tempo per registrare un'immagine da minuti a 250 millisecondi."

Chimica di superficie sorprendente

I ricercatori hanno quindi ripreso in tempo reale la reazione di deprotonazione dell'interfaccia capillare di silice interna/acqua. La silice è uno dei minerali più abbondanti sulla terra, e la sua interazione con l'acqua modella il nostro clima e il nostro ambiente. Sebbene molti ricercatori abbiano caratterizzato le proprietà dell'interfaccia silice/acqua, non c'è consenso sulla sua reattività chimica. Roke continua:"I nostri dati mostrano perché c'è una notevole diffusione della reattività superficiale, anche su una porzione molto piccola di un capillare. I nostri dati aiuteranno nello sviluppo di modelli teorici più efficaci nel catturare questa sorprendente complessità. Inoltre, il nostro metodo di imaging può essere utilizzato per un'ampia varietà di processi, come per analizzare il funzionamento in tempo reale di una cella a combustibile, o per vedere quale aspetto strutturale di un minerale è più chimicamente attivo. Potremmo anche ottenere maggiori informazioni sui nanocanali e sui pori sia artificiali che naturali.