La forma e l'altezza del cristallo di un materiale noto come PTCDA, con altezza rappresentata dall'ombreggiatura (il bianco è più alto, l'arancione più scuro è il più basso). La barra della scala bianca rappresenta 500 nanometri. L'illustrazione in basso è una rappresentazione della forma del cristallo. Credito:Berkeley Lab, CU-Maschio
Dettagliare la composizione molecolare dei materiali, dalle celle solari ai diodi organici a emissione di luce (LED) e ai transistor, e proteine importanti dal punto di vista medico, non è sempre un processo cristallino.
Per capire come funzionano i materiali a queste scale microscopiche, e per progettare meglio i materiali per migliorare la loro funzione, è necessario conoscere non solo la loro composizione, ma anche la loro disposizione molecolare e le microscopiche imperfezioni.
Ora, un team di ricercatori che lavorano presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia ha dimostrato l'imaging a infrarossi di un semiconduttore organico noto per le sue capacità elettroniche, rivelando dettagli chiave su nanoscala sulla natura delle sue forme e orientamenti dei cristalli, e difetti che ne influenzano anche le prestazioni.
Per ottenere questa svolta nell'imaging, i ricercatori dell'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab e dell'Università del Colorado-Boulder (CU-Boulder) hanno combinato la potenza della luce infrarossa della SLA e la luce infrarossa di un laser con uno strumento noto come microscopio a forza atomica. La SLA, un sincrotrone, produce luce in una gamma di lunghezze d'onda o "colori" - dagli infrarossi ai raggi X - accelerando i fasci di elettroni vicino alla velocità della luce attorno alle curve.
I ricercatori hanno focalizzato entrambe le fonti di luce infrarossa sulla punta del microscopio a forza atomica, che funziona un po' come l'ago di un giradischi:si muove sulla superficie di un materiale e misura le più sottili caratteristiche della superficie mentre si solleva e si abbassa.
La tecnica, dettagliato in una recente edizione della rivista Progressi scientifici , consente ai ricercatori di sintonizzare la luce infrarossa su specifici legami chimici e la loro disposizione in un campione, mostra le caratteristiche dettagliate del cristallo, ed esplorare l'ambiente chimico su scala nanometrica nei campioni.
"La nostra tecnica è ampiamente applicabile, ", ha detto Hans Bechtel, uno scienziato della SLA. "Potresti usarlo per molti tipi di materiale:l'unica limitazione è che deve essere relativamente piatto" in modo che la punta del microscopio a forza atomica possa muoversi attraverso i suoi picchi e le sue valli.
I ricercatori hanno misurato l'orientamento molecolare dei cristalli (grigio chiaro e bianco) in campioni di un materiale semiconduttore noto come PTCDA. La barra della scala è di 500 nanometri. I punti colorati corrispondono all'orientamento dei cristalli nella barra dei colori a sinistra. Le figure all'estrema sinistra mostrano la punta del microscopio a forza atomica in relazione a diversi orientamenti dei cristalli. Credito:Berkeley Lab, CU-Maschio
Markus Raschke, un professore CU-Boulder che ha sviluppato la tecnica di imaging con Eric Muller, un ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, disse, "Se conosci la composizione molecolare e l'orientamento in questi materiali organici, puoi ottimizzare le loro proprietà in un modo molto più diretto.
"Questo lavoro sta informando il design dei materiali. La sensibilità di questa tecnica sta passando da una media di milioni di molecole a poche centinaia, e la risoluzione dell'immagine va dalla scala micron (milionesimi di pollice) alla scala nanometrica (miliardesimi di pollice), " Egli ha detto.
La luce infrarossa del sincrotrone forniva l'essenziale banda larga dello spettro infrarosso, che lo rende sensibile a molti legami chimici diversi allo stesso tempo e fornisce anche l'orientamento molecolare del campione. Il laser a infrarossi convenzionale, con la sua elevata potenza ma ristretta gamma di luce infrarossa, nel frattempo, ha permesso ai ricercatori di ingrandire i legami specifici per ottenere immagini molto dettagliate.
"Né il sincrotrone della SLA né il laser da soli ci avrebbero fornito questo livello di intuizione microscopica, "Raschke ha detto, mentre la combinazione dei due forniva una potente sonda "maggiore della somma delle sue parti".
Raschke un decennio fa ha esplorato per la prima volta la nanospettroscopia infrarossa basata sul sincrotrone utilizzando il sincrotrone BESSY a Berlino. Con il suo aiuto e quello degli scienziati della SLA Michael Martin e Bechtel, l'ALS nel 2014 è diventato il primo sincrotrone a offrire immagini a infrarossi su scala nanometrica agli scienziati in visita.
La tecnica è particolarmente utile per lo studio e la comprensione dei cosiddetti "materiali funzionali" che possiedono particolari caratteristiche fotoniche, elettronico, o proprietà di conversione o accumulo di energia, ha notato.
In linea di principio, Ha aggiunto, il nuovo progresso nella determinazione dell'orientamento molecolare potrebbe essere adattato agli studi biologici delle proteine. "L'orientamento molecolare è fondamentale nel determinare la funzione biologica, " Ha detto Raschke. L'orientamento delle molecole determina il modo in cui l'energia e la carica fluiscono dalle membrane cellulari ai materiali di conversione dell'energia solare molecolare.
La luce infrarossa (rosa) prodotta dal sincrotrone Advanced Light Source di Berkeley Lab (in alto a sinistra) e un laser convenzionale (al centro a sinistra) viene combinata e focalizzata sulla punta di un microscopio a forza atomica (grigio, in basso a destra), dove viene utilizzato per misurare i dettagli su scala nanometrica in un campione di cristallo (rosso scuro). Credito:Berkeley Lab, CU-Maschio
Bechtel ha affermato che la tecnica a infrarossi consente una risoluzione dell'immagine fino a circa 10-20 nanometri, che può risolvere funzioni fino a 50, 000 volte più piccolo di un granello di sabbia.
La tecnica di imaging utilizzata in questi esperimenti, noto come "microscopia ottica a scansione di campo vicino di tipo scattering, " o s-SNOM, utilizza essenzialmente la punta del microscopio a forza atomica come un'antenna ultrasensibile, che trasmette e riceve luce infrarossa focalizzata nella regione dell'apice della punta. Luce diffusa, catturato dalla punta mentre si sposta sul campione, viene registrato da un rilevatore per produrre immagini ad alta risoluzione.
"Non è invasivo, e fornisce informazioni sulle vibrazioni molecolari, " mentre la punta del microscopio si sposta sul campione, Bechtel ha detto. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica per studiare le caratteristiche cristalline di un materiale semiconduttore organico noto come PTCDA (anidride perilentetracarbossilica).
I ricercatori hanno riferito di aver osservato difetti nell'orientamento della struttura cristallina del materiale che forniscono una nuova comprensione del meccanismo di crescita dei cristalli e potrebbero aiutare nella progettazione di dispositivi molecolari che utilizzano questo materiale.
La nuova capacità di imaging pone le basi per un nuovo National Science Foundation Center, annunciato a fine settembre, che collega CU-Boulder con Berkeley Lab, UC Berkeley, Università Internazionale della Florida, UC Irvine, e il Fort Lewis College di Durango, Colo. Il centro combinerà una gamma di metodi di imaging microscopico, compresi quelli che utilizzano elettroni, raggi X, e luce, in una vasta gamma di discipline.
Questo centro, soprannominato STROBE per Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging, sarà guidato da Margaret Murnane, un illustre professore alla CU-Boulder, con Raschke che funge da co-protagonista.
Al Berkeley Lab, STROBE sarà servito da una gamma di funzionalità ALS, comprese le linee di luce a infrarossi gestite da Bechtel e Martin e una nuova linea di luce denominata COSMIC (per "scattering coerente e microscopia"). Trarrà inoltre vantaggio dagli strumenti di analisi dei dati sviluppati da Berkeley Lab.
