La sonda di un microscopio a forza atomica (AFM) scansiona una superficie per rivelare i dettagli con una risoluzione 1, 000 volte maggiore di quello di un microscopio ottico. Ciò rende AFM lo strumento principale per l'analisi delle caratteristiche fisiche, ma non può dire agli scienziati nulla sulla chimica. Per questo si rivolgono allo spettrometro di massa (MS).

Ora, gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno combinato queste capacità fondamentali in un unico strumento in grado di sondare un campione in tre dimensioni e sovrapporre informazioni sulla topografia della sua superficie, il comportamento meccanico su scala atomica vicino alla superficie, e la chimica in e sotto la superficie. Questo imaging multimodale consentirà agli scienziati di esplorare film sottili di polimeri a fase separata importanti per la conversione e lo stoccaggio dell'energia. I loro risultati sono pubblicati in ACS Nano , una rivista dell'American Chemical Society.

"La combinazione delle due capacità sposa il meglio dei due mondi, " ha affermato la responsabile del progetto Olga Ovchinnikova, che ha co-diretto lo studio con Gary Van Berkel, capo del gruppo di spettrometria di massa organica e biologica dell'ORNL. "Per la stessa posizione, ottieni non solo posizione precisa e caratterizzazione fisica, ma anche precise informazioni chimiche."

Aggiunto Van Berkel, "Questa è la prima volta che abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare più metodi attraverso il microscopio a forza atomica. Abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile raccogliere insieme diversi set di dati senza cambiare le sonde e senza cambiare il campione".

La nuova tecnica di imaging funzionale consente di sondare regioni dell'ordine di miliardesimi di metri, o nanometri, caratterizzare la superficie di colline e valli di un campione, la sua elasticità (o "rimbalzo") attraverso gli strati più profondi, e la sua composizione chimica. In precedenza, Le punte AFM potrebbero penetrare solo 20 nanometri per esplorare la capacità di una sostanza di espandersi e contrarsi. L'aggiunta di una sonda di desorbimento termico alla miscela ha permesso agli scienziati di sondare più in profondità, mentre la tecnica cuoce la materia dalla superficie e la rimuove in profondità fino a 140 nanometri. L'analisi chimica precisa dei composti effettuata da MS ha conferito alla nuova tecnica una capacità senza precedenti di caratterizzare i campioni.

"Ora siamo in grado di vedere la struttura del sottosuolo che prima eravamo ciechi, utilizzando tecniche standard, " ha detto Ovchinnikova.

Nel passato, gli scienziati hanno misurato le proprietà fisiche e chimiche su diversi strumenti che visualizzavano i dati su diverse scale di risoluzione. La larghezza di un pixel di dati AFM potrebbe essere di 10 nanometri, mentre la larghezza di un pixel di dati MS potrebbe essere di 10 micron, mille volte più grande.

"La risoluzione dell'identificazione chimica era molto più scarsa, " Ha sottolineato Ovchinnikova. "Prenderesti immagini da diverse tecniche e proveresti ad allinearle e creare un'immagine combinata. Poiché le dimensioni dei pixel sarebbero così diverse, l'allineamento sarebbe difficile".

L'innovazione ORNL ha risolto il problema. "Poiché ora stiamo utilizzando una configurazione, le dimensioni dei pixel sono molto simili tra loro. Puoi individuare un pixel e correlarlo a un altro pixel nell'immagine, " ha detto Ovchinnikova. Ora gli scienziati possono sovrapporre perfettamente i dati, proprio come le fotocamere digitali uniscono perfettamente le immagini più piccole per creare un'immagine panoramica.

Analisi allineate

Ci è voluto un team per caratterizzare le topografie, nanomeccanica e chimica dei domini a fase separata e le loro interfacce. Gli scienziati hanno testato la loro piattaforma combinata AFM/MS sondando un film sottile di polimero a fase separata. Vera Bocharova, del Gruppo Soft Materials, ha realizzato un film di 500 nanometri di spessore con polimeri che si sono separati in isole di poli-2-vinilpiridina in un mare di polistirene. Vilmos Kertesz ha sviluppato un software per collegare le capacità di analisi, e Van Berkel, Ovchinnikova e Tamin Tai hanno organizzato l'esperimento e preso ed elaborato i dati. Mahmut Okatan, Alex Belianinov e Stephen Jesse del Center for Nanophase Materials Sciences hanno installato apparecchiature per sondare le proprietà meccaniche su scala atomica.

Strumenti Anasys, uno sviluppatore di sonde termiche, ha prestato ai ricercatori uno strumento AFM modificato per l'esperimento. L'azienda possiede la proprietà intellettuale della punta della sonda e la tecnologia ORNL con licenza che utilizza sonde AFM riscaldate per rimuovere la materia dalla superficie e successivamente trasportarla e ionizzarla per l'analisi spettrometrica di massa.

Anasys ha recentemente ricevuto una sovvenzione per la ricerca sull'innovazione delle piccole imprese di fase 2 dal DOE per accoppiare la microscopia a forza atomica e la spettrometria di massa in un prodotto commerciale. Un tale dispositivo porterebbe l'imaging multimodale fuori dal regno rarefatto dei laboratori nazionali e nella più ampia comunità scientifica. Ovchinnikova immagina che le aziende utilizzino la tecnologia per rispondere a domande fondamentali sulle prestazioni del prodotto. Se una miscela polimerica, in un pneumatico di gomma o in una bottiglia di plastica, non funziona, perchè fallisce? In una zona stressata, come stanno cambiando le proprietà nanomeccaniche? Qual è l'esatta composizione chimica nei punti di rottura?

"Questo è qualcosa che AFM da solo non potrebbe mai vedere. Potrebbe solo vedere differenze nella meccanica, ma non potrebbe mai dirti una chimica precisa in un luogo, ", ha detto Ovchinnikova.

I ricercatori dell'ORNL sono desiderosi di esplorare le sfide scientifiche che non potevano essere affrontate prima dell'avvento della mappatura chimica ad alta risoluzione. Per esempio, una migliore comprensione della struttura e delle proprietà dei materiali a energia solare può accelerare i miglioramenti nella loro efficienza.

Prossimo, per rendere l'imaging multimodale ancora più potente, i ricercatori stanno considerando di accoppiare la spettrometria di massa a desorbimento termico, una tecnica distruttiva che cuoce la materia da una superficie per consentirne l'analisi chimica, con la spettroscopia ottica, una tecnica non distruttiva.