Dal 19° secolo, i metodi di microscopia e spettroscopia hanno illuminato molti aspetti della chimica e della fisica, dalla definizione degli spettri atomici al portare chiarezza all'effetto fotoelettrico di Einstein.

Ora, all'inizio del 21° secolo, le immagini chimiche generate tramite misurazioni spazio-temporali ad alta risoluzione combinate con la spettroscopia ci stanno avvicinando a un sogno scientifico:visualizzare singole molecole o scale atomiche in situ e in tempo reale. Ricerca molecolare nel fotovoltaico organico, polimeri, autoassemblaggio macro/sovramolecolare, biomembrane, proteine, e in generale la materia organizzata per formare strutture molecolari su nanoscala, tutti potrebbero beneficiare di questo fiorente ultraveloce, capacità di nano-imaging a femtosecondi.

Per Markus Raschke, professore all'Università del Colorado a Boulder e attuale EMSL Wiley Research Fellow, l'evoluzione verso il raggiungimento di questa innovazione scientifica è guidata dal suo interesse a lungo termine per l'imaging ottico e la spettroscopia ad altissima risoluzione spaziale. Questo interesse inizialmente lo ha portato a EMSL come utente e da allora ha portato a una collaborazione di quasi quattro anni che ha portato EMSL sul precipizio della fornitura di capacità di imaging con sensibilità quasi a singola molecola.

Il "punto di svolta"

Raschke e i suoi colleghi hanno inizialmente utilizzato le capacità di microscopia di EMSL per dimostrare la nanofocalizzazione plasmonica utilizzando un concetto di antenna ottica. Il metodo ha impiegato una punta conica in oro e un'eccitazione a breve impulso per facilitare l'imaging del campo vicino senza sfondo tramite la microscopia ottica a scansione del campo vicino di tipo scattering, o s-SNOM. La combinazione consente anche la nanofocalizzazione degli impulsi a femtosecondi e il controllo ottico su scala nanometrica. Ha aperto le porte alla spettroscopia ultraveloce su nanoscala che potrebbe rappresentare la materia in tempo reale e contemporaneamente su scale di lunghezza, oltre a controllare una singola eccitazione quantistica con quella sorgente di luce unica "alla punta di un ago, "Secondo Raschke.

"Volevamo progettare una sorgente di luce su nanoscala, " Raschke ha spiegato. "Abbiamo cercato strade diverse per raggiungere questo obiettivo e raggiungerlo per diverse lunghezze d'onda e tempistiche. Fabbricando questi suggerimenti, che fungono da speciali guide d'onda coniche, fornire una fonte di luce altamente limitata, dove l'energia del campo ottico è compressa in un molto, volume molto piccolo al suo apice."

Sebbene l'aspetto della spettroscopia ultraveloce non fosse l'obiettivo iniziale di Raschke, il successo ottenuto in tale sforzo ha offerto a EMSL un'incredibile opportunità per migliorare la comprensione della chimica sulle superfici e sulle interfacce, dove l'ambiente, catalitico, e le interazioni biologiche si verificano e la chimica avviene, attraverso il suo processo di proposta di partner scientifici.

Costruire una partnership

Partner interessati, come Raschke e i suoi colleghi, presentare proposte tramite il portale utenti EMSL per collaborare con il personale EMSL e migliorare le capacità esistenti o svilupparne di nuove. In questo caso, Il finanziamento dell'American Recovery and Reinvestment Act dell'EMSL ha facilitato lo sviluppo dell'infrarosso, o IR, microscopio a scansione di campo vicino di tipo scattering, che inizialmente era ospitato nel laboratorio di Raschke mentre lui e il suo team costruivano, testato, e ottimizzato la nuova capacità. All'inizio di quest'anno, il microscopio IR s-SNOM personalizzato è stato trasferito nella sua sede all'EMSL, dove Raschke, insieme allo scienziato EMSL Ian Craig, sono ancora al lavoro per affinarne lo sviluppo e le applicazioni.

"All'EMSL, ci concentriamo da tempo sulla tecnologia che si occupa di una migliore risoluzione spazio-temporale che ci consente di guardare la chimica in condizioni del mondo reale, "ha detto David Koppenaal, Chief Technology Officer di EMSL. "Si tratta di una capacità unica che fornirà informazioni molecolari ad alta risoluzione su scala nanometrica. E, integra diverse capacità di microscopia che abbiamo già qui."

Secondo Raschke, Il meccanismo di partenariato scientifico dell'EMSL è anche un ottimo esempio di scienza interdisciplinare e collaborativa, il tipo di investimento che motiva gli scienziati e promuove nuove frontiere scientifiche. Venendo dal lato accademico, sa quanto questa interazione possa essere preziosa per raggiungere un'innovazione tangibile.

"Non avevamo le risorse o le infrastrutture per creare uno strumento con queste meravigliose capacità a livello accademico, " Raschke ha osservato. "La collaborazione con EMSL ha unito il meglio dei due mondi:la dinamica e l'entusiasmo di un'università e le risorse e le capacità di EMSL. Tutti noi vogliamo la migliore scienza".

Gli innovatori

Dopo aver dimostrato il potenziale di s-SNOM di estendere la spettroscopia IR su scala nanometrica in base al concetto di antenna ottica, Raschke ei suoi colleghi hanno collaborato con EMSL per affrontare la sfida di migliorare la sua sensibilità spettroscopica.

"È risaputo che puoi vedere una singola molecola usando una forza atomica o un microscopio a scansione a effetto tunnel, ma non ottieni dettagli spettroscopici - e quelle tecniche, anche se squisitamente sensibile, sono troppo lenti per cogliere le dinamiche interne, " ha detto Raschke.

"I laser offrono un'elevata risoluzione spettrale, e i laser pulsati ti raccontano le dinamiche della materia, " ha continuato. "Ma, la risoluzione spaziale è limitata per osservare i dettagli più fini della composizione molecolare. Quello che abbiamo fatto è stato combinare davvero la sensibilità e la risoluzione spaziale della microscopia a scansione di sonda con la spettroscopia laser ultraveloce per ottenere il meglio da entrambi i mondi".

Combinando il miglioramento della punta e del substrato raccolto dal loro lavoro iniziale con antenne ottiche e spettroscopia Raman molecolare e un migliore rapporto segnale-rumore dall'eccitazione della pompa IR con irradianza ad alto spettro, Raschke e i suoi colleghi hanno immaginato un monostrato autoassemblato, o SAM, a base di acido 16-mercaptoesadecanoico, un composto utilizzato nell'autoassemblaggio per produrre SAM idrofili, su una superficie dorata. Sono stati in grado di ottenere una risoluzione spaziale di 25 nm utilizzando la loro tecnica IR s-SNOM e di determinare spettroscopicamente l'identità chimica delle molecole di superficie. Più significativamente, hanno battuto un record di sensibilità spettrale e contrasto, ottenere il segnale da sole ∼100 vibrazioni molecolari, quasi nove ordini di grandezza più sensibili della spettroscopia IR convenzionale.

"Questo apre la strada alla spettroscopia IR a singola molecola, " Ha detto Raschke. "Abbiamo dimostrato che è possibile ottenere un segnale. Stiamo esaminando 100 molecole quando prima avevo colleghi che non pensavano che si potesse ottenere un segnale da 1 milione di molecole".

In qualità di scienziato senior e collaboratore durante questo sforzo, Raschke continua a pubblicare articoli mentre perfeziona l'IR s-SNOM, ricerca di mezzi per migliorare la sua capacità. Accoglie con favore anche la sua evoluzione come un altro strumento unico che EMSL offre per un ampio uso alla comunità scientifica. Il suo ruolo di leader è quello che si aspetta pienamente, ed è eccitato, per continuare negli anni a venire.

"Se riesci a vederlo su un singolo monostrato molecolare, puoi vederlo su qualsiasi cosa, veramente, " Raschke ha detto. "Stiamo vedendo come la luce interagisce con la materia sull'orologio della natura. Osserviamo il movimento di elettroni e atomi in tempo reale. Abbiamo visto raccolte di atomi farlo. Ma, te ne servono molti per avere un segnale. Ora, stiamo arrivando a dove possiamo vedere il movimento atomico degli individui.

"Cento molecole è un numero importante. È qui che gli atomi diventano una famiglia. Stiamo scendendo all'insieme omogeneo, vedendo il battito del cuore della materia, " Ha aggiunto.