(Phys.org) — Per anni, gli scienziati hanno avuto un prurito che non riuscivano a grattare. Anche con i migliori microscopi e spettrometri, è stato difficile studiare e identificare le molecole alla cosiddetta mesoscala, una regione della materia che varia da 10 a 1000 nanometri di dimensione. Ora, con l'aiuto della luce infrarossa a banda larga dal sincrotrone Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di imaging a banda larga che guarda all'interno di questo regno con una sensibilità e una portata senza precedenti.

Combinando la microscopia a forza atomica con la luce di sincrotrone infrarossa, i ricercatori del Berkeley Lab e dell'Università del Colorado hanno migliorato la risoluzione spaziale della spettroscopia a infrarossi di ordini di grandezza, coprendo contemporaneamente l'intera gamma spettroscopica, consentendo l'indagine di varietà di nanoscala, mesoscala, e fenomeni di superficie che prima erano difficili da studiare.

La nuova tecnica, chiamata nanospettroscopia a infrarossi di sincrotrone o SINS, consentirà lo studio approfondito di sistemi molecolari complessi, comprese le batterie liquide, cellule viventi, nuovi materiali elettronici e polvere di stelle.

"La cosa importante è che stiamo ottenendo la spettroscopia a infrarossi a banda larga completa su una scala da 100 a 1000 volte più piccola, "dice Hans Bechtel, principale associato di ingegneria scientifica al Berkeley Lab. "Questo non è un risultato incrementale. È davvero rivoluzionario."

In un Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze documento pubblicato online il 6 maggio, intitolato "Imaging nano-spettroscopico a infrarossi a banda ultra larga, "Bechtel e Michael Martin di Berkeley Lab, uno scienziato dello staff del Berkeley Lab, e colleghi del gruppo di Markus Raschke presso l'Università del Colorado a Boulder descrivono SINS. Dimostrano la capacità del nanoscopio di acquisire dati spettroscopici a banda larga su una varietà di campioni, compreso un sistema semiconduttore-isolante, un guscio di mollusco, proteine, e un nanofoglio peptoide. Martin dice che queste dimostrazioni "grattano solo la superficie" del potenziale della nuova tecnica.

Sincronizzazione degli ambiti

SINS combina due tecnologie a infrarossi preesistenti:una tecnica più recente chiamata microscopia ottica in campo vicino a scansione a scattering a infrarossi (IR s-SNOM) e un vecchio laboratorio di standby, noto anche agli studenti universitari di chimica, chiamata spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR). Una sapiente fusione di questi due strumenti, combinata con l'intensa luce infrarossa del sincrotrone del Berkeley Lab offre ai ricercatori la capacità di identificare gruppi di molecole di dimensioni comprese tra 20 e 40 nanometri.

Il nuovo approccio supera le barriere di vecchia data con le tecniche di microscopia preesistenti che spesso comportano requisiti tecnici e di preparazione del campione impegnativi. La spettroscopia a infrarossi utilizza luce a bassa energia, è minimamente invasivo, ed è applicabile in condizioni ambientali, rendendolo uno strumento eccellente per l'identificazione chimica e molecolare in sistemi statici così come in quelli viventi e dinamici. La tecnica funziona proiettando luce infrarossa a bassa energia su un campione molecolare. Le molecole possono essere pensate come sistemi di sfere (atomi) e molle (legami tra atomi) che vibrano con caratteristiche oscillazioni; assorbono la radiazione infrarossa a frequenze che corrispondono ai loro modi di vibrazione naturali. L'uscita da questo assorbimento è uno spettro, spesso chiamato un'impronta digitale, che mostra picchi e avvallamenti distintivi, a seconda dei legami e degli atomi presenti nel campione.

Ma anche la spettroscopia a infrarossi ha le sue sfide. Anche se funziona bene per i campioni sfusi, La spettroscopia a infrarossi tradizionale non può risolvere la composizione molecolare al di sotto di circa 2000 nanometri. L'ostacolo maggiore è il limite di diffrazione della luce, che è la barriera fondamentale che determina il punto focale più piccolo della luce ed è particolarmente problematica per le grandi lunghezze d'onda della luce infrarossa. Negli ultimi anni, anche se, il limite di diffrazione è stato superato con una tecnica chiamata microscopia ottica a scansione a scattering in campo vicino, o s-SNOM, che consiste nel far brillare la luce su una punta metallica. La punta funge da antenna per la luce, dirigendolo verso una minuscola regione al suo apice di appena decine di nanometri di larghezza.

Questo trucco è quello che viene utilizzato in IR s-SNOM, dove la luce infrarossa è accoppiata a una punta metallica. La sfida con IR s-SNOM, però, è che i ricercatori si sono affidati alla luce infrarossa prodotta dai laser. I laser emettono un gran numero di fotoni necessari per la tecnica, ma poiché operano in una banda di lunghezze d'onda ristretta, possono solo sondare una gamma ristretta di vibrazioni molecolari. In altre parole, la luce laser semplicemente non può darti la flessibilità di esplorare uno spettro di molecole miste.

Bechtel, Il team di Martin e Raschke ha visto l'opportunità di utilizzare l'ALS di Berkeley Lab per superare la limitazione del laser. Il sincrotrone del laboratorio produce luce infrarossa a banda larga con un numero elevato di fotoni che può essere focalizzato fino al limite di diffrazione. I ricercatori hanno accoppiato la luce di sincrotrone a una punta metallica con un apice di circa 20 nanometri, focalizzando il raggio infrarosso sui campioni. Lo spettro risultante viene analizzato con uno strumento FTIR modificato.

"Questo è in realtà uno dei pochissimi esempi in cui la luce di sincrotrone è stata accoppiata alla microscopia a scansione di sonda, " dice Raschke. "Inoltre, l'implementazione della tecnica al sincrotrone porta la nano-spettroscopia chimica e l'imaging fuori dal laboratorio di alcuni esperti di scienze laser e le rende disponibili per una più ampia comunità scientifica presso una struttura utente".

Dai molluschi alle rocce lunari

Il team ha dimostrato la tecnica confermando la firma spettroscopica del biossido di silicio sul silicio e illustrando la netta transizione chimica che si verifica all'interno dei gusci della cozza blu ( M. edulis ). Inoltre, i ricercatori hanno esaminato le proteine ​​e un nanofoglio peptoide, un ingegnerizzato, film ultrasottile di proteine ​​con applicazioni mediche e farmacologiche.

Martin è entusiasta del potenziale di SINS, che è disponibile per i ricercatori di qualsiasi istituzione da utilizzare. In particolare è interessato a uno sguardo più da vicino ai sistemi di batterie, con la speranza che la comprensione della chimica della batteria sulla mesoscala possa fornire informazioni su prestazioni migliori. Più lontano, si aspetta che SINS sia utile anche per una vasta gamma di biochimica. "Questo suggerisce un sogno che ho avuto nella mia mente, guardare la superficie di una cellula, all'interno della membrana a doppio strato, i canali, e recettori, " dice Martin. "Se potessimo mettere una punta di SINS su una cellula vivente, potremmo guardare la biochimica in tempo reale".

Bechtel, da parte sua, è incuriosito dalla possibilità di utilizzare SINS per lo studio delle rocce lunari, meteoriti e polvere di stelle. Questi materiali extraterrestri hanno una diversità molecolare difficile da risolvere su scala nanometrica, particolarmente in modo non distruttivo per questi rari campioni. Una migliore comprensione della composizione delle rocce lunari e della polvere dallo spazio potrebbe fornire indizi sulla formazione dei pianeti e del sistema solare.

Raschke sta usando la tecnica per studiare i processi che limitano le prestazioni delle celle solari organiche. Sta cercando di migliorare ulteriormente la flessibilità della tecnica in modo che possa essere applicata in condizioni atmosferiche variabili e controllate e a bassa temperatura. Tra le altre modifiche, intende aumentare la sensibilità della tecnica con l'obiettivo finale di eseguire la spettroscopia chimica a singola molecola.