I ricercatori di nanotecnologia del governo degli Stati Uniti hanno dimostrato una nuova finestra per visualizzare quelle che ora sono per lo più operazioni clandestine che si verificano in ambienti umidi, regni inospitali del nanomondo:processi tecnologicamente e medicamente importanti che si verificano ai confini tra liquidi e solidi, come nelle batterie o lungo le membrane cellulari.

Il nuovo approccio all'imaging a microonde supera i metodi a raggi X e basati su elettroni che possono danneggiare campioni delicati e risultati fangosi. E risparmia apparecchiature costose dall'essere esposte a liquidi, eliminando la necessità di indurire le sonde contro agenti corrosivi, tossico, o altri ambienti dannosi.

Scrivere sul diario ACS Nano , i collaboratori, dal Center for Nanoscale Science and Technology presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy, descrivono il loro nuovo approccio all'imaging di campioni reattivi e biologici a livelli di nanoscala in condizioni realistiche condizioni.

L'elemento chiave è una finestra, una membrana ultrasottile che separa la sonda aghiforme di un microscopio a forza atomica (AFM) dal campione sottostante, contenuto in minuscoli contenitori che mantengono un ambiente liquido o gassoso costante. L'aggiunta trasforma l'imaging a microonde in campo vicino in uno strumento versatile, estendendo il suo utilizzo oltre la tecnologia dei semiconduttori, dove viene utilizzato per studiare strutture solide, in un nuovo regno di liquidi e gas.

"L'ultrasottile, la membrana trasparente alle microonde consente di esaminare il campione più o meno allo stesso modo in cui il radar terrestre è stato utilizzato per rivelare immagini della superficie di Venere attraverso la sua atmosfera opaca, " ha spiegato il fisico del NIST Andrei Kolmakov.

"Generiamo microonde all'apice, o all'estremità, della punta della sonda, " ha detto Kolmakov. "Le microonde penetrano attraverso la membrana a poche centinaia di nanometri di profondità nel liquido fino all'oggetto di interesse. Mentre la punta scansiona il campione dall'altra parte della membrana, registriamo le microonde riflesse per generare l'immagine."

Le microonde sono molto più grandi degli oggetti su scala nanometrica a cui sono abituati a "vedere". Ma quando emesso solo da una distanza minuscola, le microonde in campo vicino riflesse da un campione producono un'immagine sorprendentemente dettagliata.

Nei loro esperimenti di proof-of-concept, il team NIST-ORNL ha utilizzato il microscopio ibrido per ottenere una visione su scala nanometrica delle prime fasi di un processo di galvanica dell'argento. Le immagini a microonde hanno catturato la formazione elettrochimica di cluster metallici ramificati, o dendriti, sugli elettrodi. Si potevano distinguere caratteristiche piccole fino a 100 nanometri (miliardesimi di metro).

Per quanto importante, le microonde a bassa energia erano troppo deboli per recidere i legami chimici, calore, o interferire in altri modi con il processo che venivano utilizzati per catturare nelle immagini. In contrasto, un microscopio elettronico a scansione che è stato utilizzato per registrare lo stesso processo di galvanica a livelli comparabili di risoluzione ha prodotto immagini che mostrano delaminazione e altri effetti distruttivi del fascio di elettroni.

Il team riporta un successo simile nell'usare la loro configurazione AFM-microonde per registrare immagini di cellule di lievito disperse in acqua o glicerolo. I livelli di risoluzione spaziale erano paragonabili a quelli ottenuti con un microscopio elettronico a scansione, ma di nuovo, erano esenti dai danni causati dal fascio di elettroni.

Nei loro esperimenti, il team ha utilizzato membrane, realizzate in biossido di silicio o nitruro di silicio, con uno spessore compreso tra 8 nanometri e 50 nanometri. Hanno trovato, però, che più sottile è la membrana, migliore è la risoluzione, fino a decine di nanometri, e maggiore è la profondità di sondaggio, fino a centinaia di nanometri.

"Questi numeri possono essere ulteriormente migliorati con la messa a punto e lo sviluppo di una migliore elettronica, " disse Kolmakov.

Oltre a studiare i processi in reattività, tossico, o ambienti radioattivi, i ricercatori suggeriscono che il loro approccio di imaging a microonde potrebbe essere integrato in dispositivi fluidici "lab-on-a-chip", dove può essere utilizzato per campionare liquidi e gas.