Un singolo filamento di DNA. Gli inquinanti tossici in un soffio d'aria. Un campione di vernice da un'opera d'arte inestimabile. Scaglie di un meteorite marziano. Questa è solo un'infarinatura di ciò che gli scienziati saranno in grado di esaminare con il nuovo microscopio:un microscopio Raman a forza atomica, per l'esattezza, ora ospitato nel Lammot du Pont Laboratory dell'Università del Delaware.

"UD è entusiasta di aggiungere questo nuovo strumento importante e all'avanguardia alla nostra suite di strumenti per l'esame di materiali ad alta risoluzione, " disse Charles G. Riordan, vicepresidente per la ricerca, borsa di studio e innovazione. "Con questa capacità, facoltà dell'UD, gli studenti e il personale saranno in grado di portare avanti la ricerca e l'istruzione in una vasta gamma di campi, dall'ingegneria alle scienze fisiche alla conservazione dell'arte".

Il nuovo microscopio aiuterà i ricercatori ad andare dove prima non potevano. Gli oscilloscopi precedenti semplicemente non avevano la risoluzione super alta e il potere di scoprire la chimica che ha questo.

"Questo microscopio permetterà agli scienziati di vedere gli oggetti 10, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano, oltre a fornire informazioni dettagliate sia sulla superficie di un materiale che sulla sua chimica, " ha detto Karl Booksh, professore di chimica e biochimica e la forza trainante dietro la proposta di successo di UD alla National Science Foundation. NSF ha ottenuto $ 558, 228 sovvenzione dai suoi principali programmi di strumentazione di ricerca e strumentazione di ricerca chimica e dal programma stabilito per stimolare la ricerca competitiva (EPSCoR). L'UD Research Office ha anche contribuito a sostenere il costo dello strumento, che è stato acquistato da Horiba, un fornitore leader di sistemi di misurazione analitici e scientifici.

Questo nuovo strumento è un "twofer scientifico, " unendo due microscopi in uno. Un microscopio Raman, prende il nome dal defunto fisico e premio Nobel indiano Sir Chandrashekhara Venkata Raman, scansiona un campione con un laser, interagendo con le vibrazioni della molecola di interesse, spargendo la luce. Questi modelli di luce servono come "impronte digitali" per identificare le molecole e per studiare i loro legami chimici e il grado di interattività con altre molecole.

Un microscopio a forza atomica scansiona un campione utilizzando una piccola sonda che fornisce informazioni sulla superficie, come la sua topografia, durezza, proprietà elettriche e termiche. Questa sonda, capovolto in oro, è quasi "atomicamente nitido, " significa che è virtualmente in grado di rilevare un singolo atomo.

La combinazione di entrambe le tecniche all'interno di un singolo microscopio fornisce simultaneamente una serie di informazioni. E questo è importante per una serie di studi in tutta l'Università e con i collaboratori del settore, così come istituzioni partner come il Winterthur Museum.

Mettere lo scopo al lavoro

Durante l'estate del 2019, il dottorando Devon Haugh e la laureanda Savannah Talledo, uno studente del Wofford College che partecipa alla Science and Engineering Leadership Initiative presso l'UD, finanziata dalla NSF, ha usato il nuovo microscopio per studiare gli inquinanti atmosferici. Minuscole particelle di gas dallo scarico dei veicoli e la fuliggine generata dalla combustione del carbone possono alimentare il cambiamento climatico e aumentare il rischio di asma, malattia polmonare, malattie cardiache e altri problemi di salute. Il microscopio ha aiutato a determinare l'acidità delle particelle sospese nell'aria, che influenza la velocità con cui cresceranno nell'atmosfera.

"Comprendere l'acidità può aiutarci a migliorare le previsioni su come le particelle sospese nell'aria influenzano la salute umana e il clima, " ha detto Murray Johnson, professore di chimica e biochimica, chi sta guidando il progetto. "In un laboratorio convenzionale, l'acidità si misura con un pHmetro. Però, questo approccio non funziona per le particelle sospese nell'aria su una scala di dimensioni sub-micrometriche, da qui la necessità di nuovi approcci di misurazione come la microsonda Raman."

Haugh era felice di avere accesso al nuovo strumento per il suo lavoro.

"Ho a cuore la salute del nostro ambiente, " ha detto. "Questo progetto mi permette di contribuire a una migliore comprensione e protezione".

Gli esperti del laboratorio di ricerca e analisi scientifica di Winterthur concentreranno il microscopio sulle preziose collezioni di tessuti storici del museo, così come i suoi dipinti di esportazione cinesi del XVIII e XIX secolo, secondo Jocelyn Alcántara-García, professore assistente e co-ricercatore sulla borsa di studio. Nella prima metà del XIX secolo, con l'impulso del commercio estero dovuto all'apertura dei porti in Cina, un gran numero di pigmenti chimici sintetici occidentali sono stati importati in Cina. In poco tempo, questi pigmenti artificiali hanno sostituito i pigmenti minerali e vegetali che i pittori cinesi avevano tradizionalmente usato nelle loro opere d'arte, dagli acquerelli al vetro retroverniciato. Il nuovo microscopio aiuterà gli scienziati della conservazione a comprendere meglio questo periodo di transizione.

Alcántara-García ha affermato che utilizzerà lo strumento per comprendere i fissativi utilizzati per fissare la tintura nei tessuti storici, che aiuterà i conservatori tessili e altri professionisti del museo a determinare i meccanismi di degrado e i potenziali interventi.

Risolvere le sfide sulla Terra e su Marte

Ora, su quei meteoriti... in una collaborazione iniziata quando si è unito alla facoltà UD un decennio fa, Booksh sta lavorando con lo scienziato senior della Merck Joseph P. Smith, che ha conseguito il dottorato in chimica analitica presso l'UD, e con il professore del Marietta College Frank Smith, che ha conseguito il dottorato in geologia all'UD, per svelare alcuni dei segreti dei pianeti attraverso indizi forniti da Lunar, Meteoriti marziani e asteroidali. I campioni sono arrivati ​​al team con una buona autorità, dal Johnson Space Center della NASA e dallo Smithsonian.

L'interesse principale del team è la composizione chimica e le proprietà di queste rocce, che contengono "sacche d'urto" create da tutte le fratture e le fusioni che si sono verificate quando hanno colpito il suolo. La loro chimica può aiutare a rivelare la geologia e le atmosfere dei loro pianeti d'origine. Smith ha affermato che il lavoro potrebbe anche aiutare la ricerca della vita su Marte nelle missioni rover 2020 della NASA e dell'Agenzia spaziale europea.

"I rover della NASA e dell'ESA avranno entrambi, per la prima volta, Spettrometri Raman per aiutare a caratterizzare i materiali della superficie marziana, "Smith ha detto. "Come tale, il nostro lavoro di indagine sui meteoriti può aiutare a migliorare la ricerca della vita su Marte sviluppando metodologie ottimali di raccolta e analisi dei dati".

Booksh e Smith stanno anche lavorando su altri problemi intriganti proprio qui sulla Terra, come collaboratori di Merck &Co. Inc. e del progetto UD incentrato sulle applicazioni farmaceutiche. Il team studierà il polimorfismo nello sviluppo di farmaci:la capacità di un solido di esistere in due o più forme cristalline, ciascuno con proprietà fisiche e chimiche molto diverse. I polimorfi sono di particolare interesse per l'industria farmaceutica perché una di queste forme può essere tossica, e più del 50% degli ingredienti farmaceutici attivi ha più di un polimorfo.

"Speriamo di sviluppare la prossima generazione di tecniche analitiche che aiuteranno a risolvere queste complesse sfide che l'industria farmaceutica deve affrontare, " ha detto Smith.