Possono essere piccoli e invisibili, dice Xiaoji Xu, ma le particelle di aerosol sospese nei gas svolgono un ruolo nella formazione delle nubi e nell'inquinamento ambientale e possono essere dannose per la salute umana.

Particelle di aerosol, che si trovano nella foschia, polvere e scarico del veicolo, misurare in micron. Un micron è un milionesimo di metro; un capello umano sottile ha uno spessore di circa 30 micron.

Le particelle, dice Xu, sono tra i tanti materiali le cui proprietà chimiche e meccaniche non possono essere misurate completamente finché gli scienziati non svilupperanno un metodo migliore per studiare i materiali su microscala e nanoscala molto più piccola (1 nm è un miliardesimo di metro).

Xu, un assistente professore di chimica, ha sviluppato un tale metodo e lo ha utilizzato per eseguire l'imaging chimico non invasivo di una varietà di materiali, così come la mappatura meccanica con una risoluzione spaziale di 10 nanometri.

La tecnica, chiamata microscopia a infrarossi a forza di picco (PFIR), combina la spettroscopia e la microscopia a scansione di sonda. Oltre a far luce sulle particelle di aerosol, Xu dice, PFIR aiuterà gli scienziati a studiare i fenomeni su micro e nanoscala in una varietà di materiali disomogenei.

"I materiali in natura sono raramente omogenei, " dice Xu. "I materiali polimerici funzionali sono spesso costituiti da domini su scala nanometrica che hanno compiti specifici. Le membrane cellulari sono incorporate con proteine ​​di dimensioni nanometriche. Esistono difetti su scala nanometrica dei materiali che influiscono sulle loro proprietà meccaniche e chimiche.

"La microscopia PFIR rappresenta una svolta fondamentale che consentirà molteplici innovazioni in aree che vanno dallo studio delle particelle di aerosol allo studio di materiali eterogenei e biologici, "dice Xu.

Xu e il suo gruppo hanno recentemente riportato i loro risultati in un articolo intitolato "Imaging chimico e meccanico simultaneo su nanoscala tramite microscopia a infrarossi a forza di picco". L'articolo è stato pubblicato su Progressi scientifici , una rivista dell'American Association for the Advancement of Science, che pubblica anche la rivista Science.

L'autore principale dell'articolo è Le Wang, un dottorato di ricerca studente a Lehigh. I coautori includono Xu e Lehigh Ph.D. studenti Haomin Wang e Devon S. Jakob, così come Martin Wagner di Bruker Nano a Santa Barbara, California, e Yong Yan del New Jersey Institute of Technology.

"La microscopia PFIR consente un imaging chimico affidabile, la raccolta di spettri a banda larga, e mappatura meccanica simultanea in una semplice configurazione con una risoluzione spaziale di ~ 10 nm, " ha scritto il gruppo.

"Abbiamo studiato tre tipi di materiali rappresentativi, vale a dire, polimeri morbidi, cristalli di perovskite e nanotubi di nitruro di boro, tutto ciò fornisce una forte risonanza PFIR per un'identificazione nanochimica univoca. Anche molti altri materiali dovrebbero essere adatti alla caratterizzazione multimodale offerta dalla microscopia PFIR.

"In sintesi, La microscopia PFIR fornirà un potente strumento analitico per esplorazioni su scala nanometrica in ampie discipline".

Xu e Le Wang hanno anche pubblicato un recente articolo sull'uso del PFIR per studiare gli aerosol. Intitolato "Caratterizzazione spettroscopica e meccanica su nanoscala di singole particelle di aerosol mediante microscopia a infrarossi a forza di picco, " l'articolo è apparso in un numero di "Emerging Investigators" di Comunicazioni chimiche , un giornale della Royal Society of Chemistry. Xu è stato descritto come uno degli investigatori emergenti nel numero. L'articolo è stato scritto insieme a ricercatori dell'Università di Macao e della City University di Hong Kong, entrambi in Cina.

PFIR ottiene simultaneamente informazioni chimiche e meccaniche, dice Xu. Consente ai ricercatori di analizzare un materiale in vari luoghi, e per determinare le sue composizioni chimiche e proprietà meccaniche in ciascuno di questi luoghi, su scala nanometrica.

"Un materiale spesso non è omogeneo, " dice Xu. "Le sue proprietà meccaniche possono variare da una regione all'altra. I sistemi biologici come le pareti cellulari sono disomogenei, e così sono i materiali con difetti. Le caratteristiche di una parete cellulare misurano circa 100 nanometri di dimensione, posizionandoli bene nel raggio d'azione del PFIR e delle sue capacità."

PFIR presenta diversi vantaggi rispetto alla microscopia ottica a scansione in campo vicino (SNOM), l'attuale metodo di misurazione delle proprietà dei materiali, dice Xu. Primo, PFIR ottiene uno spettro infrarosso più completo e un'immagine più nitida (risoluzione spaziale di 6 nm) di una più ampia varietà di materiali rispetto a SNOM. SNOM funziona bene con materiali inorganici, ma non ottiene un segnale infrarosso così forte come fa la tecnica Lehigh da materiali più morbidi come polimeri o materiali biologici.

"La nostra tecnica è più robusta, " dice Xu. "Funziona meglio con materiali morbidi, chimico e biologico».

Il secondo vantaggio di PFIR è che può eseguire ciò che Xu chiama spettroscopia puntuale.

"Se c'è qualcosa di interessante chimicamente su una superficie, "Xu dice, "Ho messo una sonda AFM [microscopia a forza atomica] in quella posizione per misurare la risposta infrarossa alla forza di picco.

"È molto difficile ottenere questi spettri con l'attuale microscopia ottica a scansione di campo vicino di tipo scattering. Si può fare, ma richiede sorgenti luminose molto costose. Il nostro metodo utilizza un laser a infrarossi a banda stretta e costa circa $ 100, 000. Il metodo esistente utilizza una sorgente luminosa a banda larga e costa circa $ 300, 000."

Un terzo vantaggio, dice Xu, è che il PFIR ottiene una risposta meccanica e chimica da un materiale.

"Nessun altro metodo di spettroscopia può farlo, " dice Xu. "Un materiale è rigido o morbido? È disomogeneo, morbido in una zona e rigido in un'altra? Come varia la composizione dalle aree morbide a quelle rigide? Un materiale può essere relativamente rigido e avere un tipo di composizione chimica in un'area, ed essere relativamente morbido con un altro tipo di composizione in un'altra area.

"Il nostro metodo ottiene simultaneamente informazioni chimiche e meccaniche. Sarà utile per analizzare un materiale in vari luoghi e determinarne le composizioni e le proprietà meccaniche in ciascuno di questi luoghi, su scala nanometrica".

Un quarto vantaggio di PFIR è la sua dimensione, dice Xu.

"Utilizziamo un laser da tavolo per ottenere spettri infrarossi. La nostra è una sorgente di luce molto compatta, rispetto alle dimensioni molto più grandi delle sorgenti luminose concorrenti. Il nostro laser è responsabile della raccolta di informazioni sulla composizione chimica. Riceviamo informazioni meccaniche dall'AFM. Integriamo i due tipi di misurazioni in un unico dispositivo per ottenere contemporaneamente due canali di informazioni".

Sebbene PFIR non funzioni con campioni liquidi, dice Xu, può misurare le proprietà di campioni biologici essiccati, comprese le pareti cellulari e gli aggregati proteici, raggiungere una risoluzione spaziale di 10 nm senza colorazione o modificazione genetica.