La materia soffice comprende un'ampia gamma di materiali, compresi i liquidi, polimeri, gel, schiuma e, soprattutto, biomolecole. Al centro di materiali morbidi, governando le loro proprietà e capacità complessive, sono le interazioni di componenti di dimensioni nanometriche. Osservare le dinamiche alla base di queste interazioni è fondamentale per comprendere i processi biologici chiave, come la cristallizzazione e il metabolismo delle proteine, e potrebbe contribuire ad accelerare lo sviluppo di nuove importanti tecnologie, come la fotosintesi artificiale o le celle fotovoltaiche ad alta efficienza. Osservare queste dinamiche con una risoluzione sufficiente è stata una grande sfida, ma questa sfida viene ora affrontata con una nuova tecnica di imaging su nanoscala non invasiva che va sotto l'acronimo di CLAIRE.

CLAIRE sta per "imaging attivato dalla catodoluminescenza mediante trasferimento di energia risonante". Inventato da ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e l'Università della California (UC) Berkeley, CLAIRE estende l'incredibile risoluzione della microscopia elettronica all'imaging dinamico della materia soffice.

"La microscopia elettronica tradizionale danneggia i materiali morbidi ed è stata quindi utilizzata principalmente per fornire informazioni topografiche o compositive su solidi inorganici robusti o sezioni fisse di campioni biologici, "dice il chimico Naomi Ginsberg, che guida lo sviluppo di CLAIRE. "CLAIRE ci consente di convertire la microscopia elettronica in una nuova modalità di imaging non invasiva per studiare i materiali morbidi e fornire informazioni spettrali specifiche su di essi su scala nanometrica".

Ginsberg tiene appuntamenti con la divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab e la sua divisione di scienze dei materiali, così come i dipartimenti di chimica e fisica dell'UC Berkeley. È anche membro del Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) a Berkeley. Lei e il suo gruppo di ricerca hanno recentemente dimostrato le capacità di imaging di CLAIRE applicando la tecnica a nanostrutture di alluminio e film polimerici che non avrebbero potuto essere visualizzati direttamente con la microscopia elettronica.

"Quali difetti microscopici nei solidi molecolari danno origine alle loro proprietà ottiche ed elettroniche funzionali? Con quale processo potenzialmente controllabile si formano tali solidi dai loro singoli componenti microscopici, inizialmente in fase di soluzione? Le risposte richiedono l'osservazione della dinamica delle eccitazioni elettroniche o delle stesse molecole mentre esplorano paesaggi spazialmente eterogenei in sistemi di fase condensata, " dice Ginsberg. "Nella nostra dimostrazione, abbiamo ottenuto immagini ottiche di nanostrutture di alluminio con risoluzione di 46 nanometri, ha poi convalidato la non invasività di CLAIRE mediante l'imaging di un film di polimero coniugato. L'alta risoluzione, la velocità e la non invasività che abbiamo dimostrato con CLAIRE ci posizionano per trasformare la nostra attuale comprensione delle interazioni biomolecolari chiave".

CLAIRE funziona essenzialmente combinando i migliori attributi della microscopia ottica ed elettronica a scansione in un'unica piattaforma di imaging. I microscopi elettronici a scansione utilizzano fasci di elettroni anziché luce per l'illuminazione e l'ingrandimento. Con lunghezze d'onda molto più corte dei fotoni della luce visibile, i fasci di elettroni possono essere utilizzati per osservare oggetti centinaia di volte più piccoli di quelli risolvibili con un microscopio ottico. Però, questi fasci di elettroni distruggono la maggior parte delle forme di materia soffice e sono incapaci di un'eccitazione molecolare spettrale specifica.

Ginsberg e i suoi colleghi aggirano questi problemi impiegando un processo chiamato "catodoluminescenza, " in cui una pellicola scintillante ultrasottile, di circa 20 nanometri di spessore, composto da perovskite di alluminio e ittrio drogato con cerio, viene inserito tra il fascio di elettroni e il campione. Quando il film scintillante è eccitato da un fascio di elettroni a bassa energia (circa 1 KeV), emette energia che viene trasferita al campione, facendo irradiare il campione. Questa luminescenza viene registrata e correlata alla posizione del fascio di elettroni per formare un'immagine che non è limitata dal limite di diffrazione ottica.

Sviluppare la pellicola scintillante e integrarla in un dispositivo di imaging a microchip è stata un'impresa enorme, Ginsberg dice, e attribuisce il successo al "talento e alla dedizione" del suo gruppo di ricerca. Dà anche molto credito al personale e alle capacità della Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, dove è stata effettuata la dimostrazione di imaging CLAIRE.

"La Molecular Foundry ha davvero permesso all'imaging di CLAIRE di prendere vita, " dice. "Abbiamo collaborato con gli scienziati del personale per progettare e installare un apparato di raccolta della luce ad alta efficienza in uno dei microscopi elettronici a scansione della fonderia e i loro consigli e suggerimenti sono stati fantastici. Che possiamo lavorare con gli scienziati di Foundry per modificare la strumentazione e migliorarne le capacità non solo per i nostri esperimenti ma anche per altri utenti è unico".

Anche se c'è ancora molto lavoro da fare per rendere CLAIRE ampiamente accessibile, Ginsberg e il suo gruppo stanno procedendo con ulteriori perfezionamenti per diverse applicazioni specifiche.

"Siamo interessati all'imaging non invasivo di materiali funzionali morbidi come gli strati attivi nelle celle solari e nei dispositivi a emissione di luce, ", afferma. "È particolarmente vero negli organici e negli ibridi organici/inorganici che la morfologia di questi materiali è complessa e richiede una risoluzione su scala nanometrica per correlare le caratteristiche morfologiche alle funzioni".

Ginsberg e il suo gruppo stanno anche lavorando alla creazione di cellule liquide per osservare le interazioni biomolecolari in condizioni fisiologiche. Poiché i microscopi elettronici possono funzionare solo in alto vuoto, mentre le molecole nell'aria interrompono il fascio di elettroni, e poiché i liquidi evaporano in alto vuoto, i campioni acquosi devono essere liofilizzati o sigillati ermeticamente in celle speciali.

"Abbiamo bisogno di cellule liquide per CLAIRE per studiare l'organizzazione dinamica delle proteine ​​che raccolgono la luce nelle membrane fotosintetiche, "Dice Ginsberg. "Dovremmo anche essere in grado di eseguire altri studi sulla biofisica delle membrane per vedere come le molecole si diffondono in ambienti complessi, e vorremmo essere in grado di studiare il riconoscimento molecolare a livello di singola molecola".

Inoltre, Ginsberg e il suo gruppo utilizzeranno CLAIRE per studiare le dinamiche dei sistemi su nanoscala per i materiali morbidi in generale.

"Ci piacerebbe poter osservare i processi di cristallizzazione o guardare un materiale fatto di componenti su scala nanometrica ricottura o subire una transizione di fase, " dice. "Ci piacerebbe anche poter osservare il doppio strato elettrico su una superficie carica mentre si evolve, poiché questo fenomeno è cruciale per la scienza delle batterie."

Sulla rivista è stato pubblicato un articolo che descrive il lavoro più recente su CLAIRE Nano lettere . Il documento è intitolato "Nanoimaging attivato dalla catodoluminescenza:microscopia ottica non invasiva in campo vicino in un microscopio elettronico". Ginsberg è l'autore corrispondente. Altri autori sono Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz e Darrell Schlom.