• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  • Il team esplora oggetti e processi su scala nanometrica con la microscopia a microonde

    L'imaging su nanoscala nei liquidi è fondamentale per comprendere i processi elettrochimici chiave e la progettazione di batterie ricaricabili. Un nuovo approccio che utilizza una combinazione di microonde, una sonda di scansione e membrane ultrasottili evitano il danno da radiazioni causato dai metodi di imaging che impiegano raggi X ed elettroni altamente energetici. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Immagine di Alexander Tselev e Andrei Kolmakov

    Quando molta energia colpisce un atomo, può staccare gli elettroni, rendendo l'atomo estremamente chimicamente reattivo e avviando un'ulteriore distruzione. Ecco perché le radiazioni sono così pericolose. È anche il motivo per cui le tecniche di imaging ad alta risoluzione che utilizzano fasci di elettroni energetici e raggi X possono alterare, persino cancellare, i campioni che esplorano. Per esempio, il monitoraggio della dinamica della batteria mediante la microscopia elettronica può introdurre artefatti che interferiscono con i processi elettrochimici. Un altro esempio calzante:l'utilizzo della spettroscopia a raggi X per vedere all'interno di una cellula vivente annichila quella cellula.

    Ora, i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e del National Institute of Standards and Technology hanno dimostrato un modo non distruttivo per osservare oggetti e processi su nanoscala in condizioni che simulano i loro normali ambienti operativi. Iniziano con una "camera ambientale" per incapsulare un campione in un liquido. La camera ha una finestra costituita da una membrana ultrasottile (da 8 a 50 miliardesimi di metro, o nanometri, di spessore). La punta di un microscopio a scansione di sonda si muove attraverso la membrana, iniezione di microonde nella camera. Il dispositivo registra dove è stato trasmesso il segnale a microonde rispetto a dove è stato impedito e crea una mappa ad alta risoluzione del campione.

    Poiché le microonde iniettate sono 100 milioni di volte più deboli di quelle di un forno a microonde domestico, e oscillano in direzioni opposte diversi miliardi di volte al secondo, quindi le reazioni chimiche potenzialmente distruttive non possono procedere, la tecnica ORNL-NIST produce solo calore trascurabile e non distrugge il campione. Gli scienziati riportano il loro nuovo approccio di combinazione di membrane ultrasottili con microonde e una sonda di scansione, chiamata microscopia a scansione di impedenza a microonde, o sMIM—nella rivista ACS Nano .

    "Il nostro imaging è non distruttivo e privo dei danni frequentemente causati ai campioni, tali cellule viventi o processi elettrochimici, mediante imaging con raggi X o fasci di elettroni, " ha detto il primo autore Alexander Tselev. Con i colleghi Anton Ievlev e Sergei Kalinin presso il Center for Nanophase Materials Sciences, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, ha eseguito l'imaging e l'analisi a microonde ad alta risoluzione. "La sua risoluzione spaziale è migliore di quella ottenibile con i microscopi ottici per campioni simili in liquidi. Il paradigma può diventare strumentale per ottenere importanti informazioni sui fenomeni elettrochimici, oggetti viventi e altri sistemi su scala nanometrica esistenti nei fluidi".

    Per esempio, la microscopia a microonde può fornire un modo non invasivo per esplorare importanti fenomeni di superficie che si verificano sulla scala dei miliardesimi di metro, come la formazione di un rivestimento sottile che protegge e stabilizza l'elettrodo di una nuova batteria ma cannibalizza il suo elettrolita per realizzare il rivestimento. Microscopia a microonde, che consente agli scienziati di osservare i processi mentre si verificano senza fermarli, permette di caratterizzare le reazioni chimiche in corso in diverse fasi.

    "Al NIST, abbiamo sviluppato camere ambientali con membrane ultrasottili per eseguire microscopia elettronica e altre tecniche analitiche nei liquidi, " ha affermato l'autore senior Andrei Kolmakov. Lui e il collega Jeyavel Velmurugan presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST hanno realizzato camere per racchiudere oggetti e processi in ambienti liquidi ed eseguito caratterizzazioni preliminari per identificare cellule biologicamente interessanti. "Le conversazioni tra gli scienziati dell'ORNL e del NIST hanno portato a l'idea di provare le microonde non distruttive in modo che le camere ambientali potessero essere utilizzate per studi più ampi. Ci sono pochissimi gruppi al mondo in grado di eseguire immagini ad alta risoluzione utilizzando le microonde, e CNMS è tra questi. La progettazione dell'esperimento e l'adeguamento della tecnologia per l'imaging hanno richiesto l'esperienza dell'ORNL".

    I ricercatori dell'ORNL e del NIST hanno combinato le tecnologie esistenti in modi nuovi e hanno ideato un approccio unico che potrebbe rivelarsi utile nella diagnostica medica, forense e ricerca sui materiali.

    "Per la prima volta, siamo in grado di visualizzare attraverso una membrana molto sottile, " ha detto Tselev. "Le microonde e la microscopia a scansione di sonda lo hanno permesso."

    Lo strumento giusto per il lavoro

    Per visualizzare materiali altamente ordinati, come i cristalli, i ricercatori possono impiegare tecniche come la diffusione di neutroni e la diffrazione dei raggi X. Per visualizzare materiali meno ordinati, come le membrane cellulari viventi, o processi, come reazioni chimiche in corso, il team ORNL-NIST ha collaborato a stretto contatto per innovare lo strumento giusto per il lavoro.

    Una volta che gli scienziati hanno combinato la camera ambientale con una capacità di scansione a microonde, hanno studiato un sistema modello per vedere se la loro nuova tecnica avrebbe funzionato e per stabilire una linea di base per esperimenti futuri. Hanno usato il sistema sMIM per mappare le particelle di polistirene che si autoassemblano in strutture densamente imballate in un liquido.

    Con quella prova di principio raggiunta, hanno poi chiesto se il loro sistema poteva discriminare tra argento, che è un conduttore elettrico, e ossido d'argento, un isolante, durante la galvanica (una reazione indotta elettricamente per depositare argento su una superficie). La microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione non sono in grado di distinguere l'argento dall'ossido d'argento. Microscopia a microonde, in contrasto, isolanti inequivocabilmente distinti dai conduttori. Prossimo, i ricercatori avevano bisogno di sapere che l'osservazione con sMIM non avrebbe introdotto artefatti, come precipitazioni d'argento, che la microscopia elettronica a scansione può causare, un problema non banale. "Un articolo elenca 79 reazioni chimiche indotte dagli elettroni nell'acqua, " osservò Tselev. In generale, la microscopia elettronica a scansione non consentirà agli scienziati di seguire la precipitazione dell'argento per formare dendriti in crescita perché quella tecnica è distruttiva. "I dendriti si comportano molto male sotto un fascio di elettroni, " ha detto Tselev. Con sMIM, non si sono verificati artefatti elettrochimici e arresto del processo. "Mentre sMIM non è l'unica tecnica non distruttiva, in molti casi può essere l'unico utilizzabile."

    Successivamente i ricercatori hanno ripreso le cellule viventi. Poiché le cellule sane e malate differiscono per proprietà come la capacità di immagazzinare energia elettrica, la mappatura intracellulare potrebbe fornire una base per la diagnosi. "L'imaging tomografico, la risoluzione attraverso le profondità, è possibile anche con le microonde, " ha detto Tselev.

    "Se hai il microonde, puoi andare in modo variabile in profondità e ottenere molte informazioni sulla stessa membrana cellulare biologica vivente:forma e proprietà che dipendono molto dalla composizione chimica e dal contenuto di acqua, che a loro volta dipendono dal fatto che la cellula sia sana o meno." I ricercatori sono stati in grado di rilevare le proprietà che distinguono le cellule sane da quelle malate.

    Negli esperimenti in corso, il sistema permetteva l'osservazione vicino alle superfici. "Ciò non significa che non saremo in grado di vedere più in profondità se ridisegniamo l'esperimento, " Ha detto Tselev. "Le microonde possono penetrare molto in profondità. La profondità è sostanzialmente limitata dalla dimensione del contatto tra la sonda e la membrana cellulare ambientale".

    Successivamente i ricercatori cercheranno di migliorare la sensibilità e la risoluzione spaziale del loro sistema. Poiché assottigliare le pareti della camera ambientale migliorerebbe la risoluzione, i ricercatori proveranno a realizzare le pareti con grafene o nitruro di boro esagonale, entrambi i quali sono spessi solo un atomo. Utilizzeranno anche diverse sonde e algoritmi di elaborazione delle immagini per migliorare la risoluzione a diverse profondità.


    © Scienza https://it.scienceaq.com