Una nuova tecnica di microscopia sviluppata presso l'Università dell'Illinois a Chicago consente ai ricercatori di visualizzare i liquidi a livello di nanoscala, con una risoluzione circa 10 volte superiore rispetto alla tradizionale microscopia elettronica a trasmissione, per la prima volta.

Intrappolando minuscole quantità di liquido tra due strati bidimensionali di nitruro di boro, il campione liquido può essere ripreso ad altissima risoluzione utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione tradizionale e tecniche di spettroscopia. Questo approccio potrebbe fornire informazioni sullo stato vibrazionale delle singole molecole.

La nuova tecnica può essere utilizzata per seguire traccianti di dimensioni nanometriche utilizzati nella ricerca biologica, e per visualizzare i processi alle interfacce liquido-solido con una risoluzione senza precedenti. Usando il loro portacampioni specializzato, o cella liquida al nitruro di boro, i ricercatori descrivono le proprietà uniche dell'acqua e dell'acqua pesante a livello di nanoscala. Riportano i loro risultati sulla rivista Materiale avanzato .

"Anche se può sembrare strano concentrarsi su qualcosa di apparentemente ben compreso come l'acqua, ci sono ancora cose che non capiamo quando è confinato alla nanoscala, " ha detto Robert Klie, Professore di fisica all'UIC e autore senior dell'articolo. "Così tante applicazioni in campo energetico, catalisi, la chimica e la biologia dipendono dalle interazioni su scala nanometrica nell'acqua, che non siamo stati in grado di visualizzare utilizzando le tecniche di misurazione attualmente disponibili."

"Utilizzando la nostra cella specializzata, possiamo osservare il comportamento vibrazionale dell'acqua e iniziare a esplorare come agisce in quantità estremamente piccole confinate all'interno degli strati di nitruro di boro, ", ha affermato Jacob Jokisaari, corrispondente autore dell'articolo e ricercatore post-dottorato nel dipartimento di fisica dell'UIC.

Primo, i ricercatori hanno dovuto risolvere il problema di come isolare piccole quantità di liquido in preparazione per la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, che utilizza un fascio focalizzato di elettroni per l'immagine dei campioni. Normalmente, i campioni devono essere congelati o racchiusi in resina epossidica e quindi tagliati a fette sottilissime prima di essere posti sotto il fascio di elettroni, dove l'utente ha solo pochi secondi per scattare foto del campione prima che si vaporizzi.

"Volevamo esaminare piccole quantità di liquido, e ci siamo rivolti ai nanomateriali per incapsulare e supportare il liquido senza influenzare le misurazioni, " disse Klie. "Poiché i materiali bidimensionali sono costituiti da un solo strato di atomi, influenzano appena il fascio di elettroni utilizzato per l'immagine del liquido, eppure sono abbastanza forti da trattenere la bolla di liquido all'interno del vuoto del microscopio."

Dopo aver testato diversi materiali bidimensionali, i ricercatori hanno infine optato per nanostrati di nitruro di boro. Questo materiale era in grado di contenere le molecole d'acqua ed è trasparente alla radiazione infrarossa generata dalle molecole d'acqua in vibrazione. Ma i progressi sono stati lenti.

"Questi sono pezzi di materiale estremamente piccoli e fragili:solo per imparare a tenerli e manipolarli ci sono voluti mesi, " ha detto Klie.

Ci sono voluti quasi quattro anni perché la squadra fosse in grado di raccogliere l'acqua, e suo cugino, Acqua pesante, tra gli strati di nitruro di boro e posizionarlo nel microscopio elettronico a trasmissione dell'università.

"Potremmo arrivare a una risoluzione energetica di circa 350 milli-elettronvolt con il nostro microscopio, ma sapevamo di aver bisogno di risoluzioni migliori per misurare le proprietà vibrazionali dell'acqua. Avevamo bisogno di accedere a un microscopio migliore, " ha detto Klie. Un elettronvolt è un'unità di misura che può essere utilizzata per descrivere l'energia delle particelle vibranti.

Il team ha portato la loro cella al nitruro di boro all'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia nel Tennessee, dove i ricercatori del Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, avere accesso a un microscopio elettronico a scansione a trasmissione con una delle migliori risoluzioni energetiche al mondo. Usando quel microscopio, Klie e colleghi sono stati in grado di vedere che quando isolati in piccole quantità, l'acqua si comporta diversamente.

"Abbiamo visto che c'era un cambiamento nella sua frequenza vibratoria quando confinato in piccole quantità nella nostra cellula, " ha detto Jordan Hachtel, un ricercatore post-dottorato presso l'Oak Ridge National Laboratory e autore dell'articolo.

Normalmente, l'acqua in grandi quantità vibra a 420 milli-elettronvolt, ma Klie ha visto che l'acqua intrappolata nella sua cella vibrava a 406 milli-elettronvolt.

I ricercatori hanno utilizzato il microscopio elettronico ad alta risoluzione per visualizzare anche l'acqua pesante, dove invece di due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno, gli idrogeni sono sostituiti con deuterio, che è più pesante dell'idrogeno. L'acqua pesante viene spesso utilizzata per etichettare le molecole di interesse negli esperimenti. Pur essendo in grado di identificare la posizione dell'acqua pesante nelle celle è stato possibile, non è mai stato visualizzato prima con il livello di risoluzione offerto dalla nuova tecnica di Klie.

Il lavoro precedente esamina l'elettrochimica dell'acqua a livello macro o micrometrico, dove le proprietà sono mediate su un grande volume. Ma le reazioni elettrochimiche appaiono in modo molto diverso se esaminate su una scala sufficientemente piccola.

"Misurare come l'acqua si lega e interagisce con altre sostanze, come in un'interfaccia in cui l'acqua tocca qualcos'altro, o interazioni che avvengono in acqua come la corrosione dei metalli, è stato impossibile a livello di nanoscala fino ad ora, " ha detto Jokisaari. "Questo lavoro apre la strada all'esame dell'elettrochimica e del livello atomico, dove la teoria basata sulla modellazione al computer è andata molto più avanti delle tecniche sperimentali."

"Questa nuova tecnica di microscopia elettronica ci consente di vedere i processi fisici e chimici che avvengono in un ambiente liquido a livello di nanoscala, volumi molto più piccoli di quelli che possono essere misurati con altri metodi attualmente disponibili, "Klie ha detto. "A scale così piccole, il comportamento di qualcosa che consideriamo basilare, Come l'acqua, cambiamenti come singoli legami atomici, i campi elettrici locali e la vicinanza delle superfici iniziano a influenzare il suo comportamento normale".