Matthew Sfeir (a sinistra) e Fernando Camino del Center for Functional Nanomaterials utilizzano strumenti come questo sistema a doppio raggio per studiare i materiali su nanoscala.
I minuscoli peli delle formiche argentate sahariane possiedono caratteristiche adattative cruciali che consentono alle formiche di regolare la temperatura corporea e sopravvivere alle condizioni di caldo torrido del loro habitat desertico. Secondo un nuovo documento di ricerca pubblicato sulla rivista Scienza , la forma triangolare unica e la struttura interna dei peli giocano un ruolo chiave nel mantenere la temperatura interna media della formica al di sotto del massimo termico critico di 53,6 gradi Celsius (128,48 gradi Fahrenheit) per la maggior parte del tempo nonostante le temperature sahariane di mezzogiorno che possono raggiungere fino a 70° C (158°F).
La carta, pubblicato da ricercatori e collaboratori della Columbia Engineering, compresi i ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), descrive come la struttura su scala nanometrica dei peli aiuta ad aumentare la riflettività del corpo della formica sia nelle lunghezze d'onda visibili che nel vicino infrarosso, permettendo agli insetti di deviare la radiazione solare che i loro corpi assorbirebbero altrimenti. I peli migliorano anche l'emissività nello spettro del medio infrarosso, permettendo al calore di dissiparsi efficacemente dal corpo caldo delle formiche a quello freddo, cielo sereno. Columbia Engineering ha maggiori informazioni sui risultati dei ricercatori.
Per studiare come i peli consentono alle creature di controllare le onde elettromagnetiche in questo modo, il team di ricerca della Columbia Engineering guidato da Nanfang Yu aveva bisogno di vedere all'interno di queste strutture su nanoscala e comprenderne le funzioni. Si sono rivolti alle risorse e alle competenze disponibili presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE nella vicina Long Island.
Lavorando e ricevendo formazione da Fernando Camino del CFN, coautore dell'articolo su Science, e Matteo Sfeir, Il gruppo di Yu ha eseguito studi di imaging utilizzando il sistema di microscopio elettronico a scansione doppia (SEM)/Focused Ion Beam (FIB) del CFN e lo spettrometro/microscopio a trasformata di Fourier. Per il sistema a doppio raggio, Camino ha lavorato direttamente con l'autore principale del giornale, Norman Nan Shi.
"Il mio contributo è stato addestrare Shi ad usare questo strumento e dargli la capacità di giocare con i parametri fino a quando non siamo riusciti a caratterizzare la struttura di questo capello, " ha detto Camino.
In un tipico esperimento che coinvolge materiale biologico come capelli su scala nanometrica, di solito sarebbe sufficiente utilizzare un microscopio elettronico per creare un'immagine della superficie del campione. Questa ricerca, però, richiesto al gruppo di Yu di guardare all'interno dei peli delle formiche e produrre una sezione trasversale dell'interno della struttura. Il fascio di elettroni relativamente debole di un microscopio elettronico standard non sarebbe in grado di penetrare la superficie del campione.
Il sistema a doppio raggio del CFN risolve il problema combinando l'imaging di un microscopio elettronico con un raggio molto più potente di ioni di gallio. Con 31 protoni e 38 neutroni, ogni ione gallio è circa 125, 000 volte più massiccio di un elettrone, e abbastanza massiccio da creare ammaccature nella struttura su scala nanometrica, come lanciare una pietra contro un muro. I ricercatori hanno usato questi potenti raggi per praticare tagli precisi nei capelli, rivelando le informazioni cruciali nascoste sotto la superficie. Infatti, questa particolare applicazione, in cui il sistema è stato utilizzato per indagare su un problema biologico, era nuovo per il team di CFN.
Il sistema Dual Scanning Electron Microscope (SEM) / Focused Ion Beam (FIB) presso il Center for Functional Nanomaterials del Brookhaven National Laboratory ha rivelato questa sezione trasversale dei capelli delle formiche argentate sahariane. Credito:Norman Nan Shi e Nanfang Yu, Columbia Engineering
"Convenzionalmente, questo strumento viene utilizzato per produrre sezioni trasversali di circuiti microelettronici, " ha detto Camino. "Il fascio di ioni focalizzato è come uno strumento di incisione. Puoi pensarlo come un utensile di fresatura in un'officina meccanica, ma su scala nanometrica. Può rimuovere materiale in luoghi specifici perché puoi vedere queste posizioni con il SEM. Quindi localmente rimuovi materiale e guardi gli strati sottostanti, perché i tagli ti danno accesso alla sezione trasversale di qualunque cosa tu voglia guardare."
La ricerca sui peli delle formiche ha sfidato il team CFN a trovare nuove soluzioni per studiare le strutture interne senza danneggiare i campioni biologici più delicati.
"Questi peli sono molto morbidi rispetto a, dire, semiconduttori o materiali cristallini. E c'è molto calore locale che può danneggiare i campioni biologici. Quindi i parametri devono essere attentamente regolati per non danneggiarlo troppo, " ha detto. "Abbiamo dovuto adattare la nostra tecnica per trovare le condizioni giuste".
Un'altra sfida consisteva nell'affrontare il cosiddetto effetto di addebito. Quando il sistema a doppio raggio viene addestrato su un materiale non conduttore, gli elettroni possono accumularsi nel punto in cui i fasci colpiscono il campione, distorcere l'immagine risultante. Il team del CFN è stato in grado di risolvere questo problema posizionando sottili strati d'oro sul materiale biologico, rendendo il campione abbastanza conduttivo da evitare l'effetto di carica.
Rivelando la riflettività
Mentre il team di Camino si è concentrato sull'aiutare il gruppo di Yu a indagare sulla struttura dei peli delle formiche, Il lavoro di Matthew Sfeir con la spettroscopia ottica in trasformata di Fourier ad alta luminosità ha aiutato a rivelare come la riflettività dei capelli aiutasse le formiche argentate sahariane a regolare la temperatura. Lo spettrometro di Sfeir ha rivelato precisamente quanto quelle strutture biologiche riflettano la luce su più lunghezze d'onda, includendo sia la luce visibile che quella del vicino infrarosso.
"È una misura multiplexata, "Sfeir ha detto, spiegando lo spettrometro della sua squadra. "Invece di sintonizzarsi su questa lunghezza d'onda e su questa lunghezza d'onda, quella lunghezza d'onda, li fai tutti in un colpo solo per ottenere tutte le informazioni spettrali in un colpo solo. Ti dà misurazioni molto veloci e un'ottima risoluzione spettrale. Quindi lo ottimizziamo per campioni molto piccoli. È una capacità piuttosto unica di CFN."
Il lavoro di spettroscopia di Sfeir attinge alla conoscenza acquisita dal suo lavoro in un'altra struttura chiave di Brookhaven:l'originale National Synchrotron Light Source, dove ha svolto gran parte del suo lavoro di postdottorato. La sua esperienza è stata particolarmente utile nell'analizzare la riflettività delle strutture biologiche attraverso molte diverse lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico.
"Questa tecnica è stata sviluppata dalla mia esperienza di lavoro con le linee di luce del sincrotrone a infrarossi, " ha detto Sfeir. "Le linee di luce del sincrotrone sono ottimizzate esattamente per questo genere di cose. Ho pensato, 'Hey, non sarebbe fantastico se potessimo sviluppare una misurazione simile per il tipo di dispositivi solari che produciamo al CFN?' Quindi abbiamo costruito una versione da banco da utilizzare qui".
È quella capacità di prendere conoscenza da un dominio e applicarla altrove, spesso in modi inaspettati, che consente agli utenti esterni di venire a Brookhaven con nuove domande di ricerca, lavorare con gli esperti del CFN per capire come affrontare queste domande, e parti con le risposte che cerchi.
"Al CFN, il nostro scopo è portare gli utenti al punto in cui possono fare le proprie ricerche, divenire indipendente, " Camino ha detto. "Questa è la nostra filosofia:portiamo gli strumenti e le conoscenze di cui gli utenti hanno bisogno, in modo che possano continuare a lavorare in modo indipendente".
