EPFL -forskare har utvecklat ett optiskt bildhanteringsverktyg för att visualisera ytkemi i realtid. De avbildade gränsytskemin i den mikroskopiskt begränsade geometrin hos en enkel mikrokapillär av glas. Glaset är täckt med hydroxyl (-OH) grupper som kan förlora en proton-en mycket studerad kemisk reaktion som är viktig inom geologi, kemi och teknik. En 100 mikron lång kapillär uppvisade en anmärkningsvärd spridning i dissociationskonstant för yt-OH-bindningar på en faktor på en miljard. Forskningen har publicerats i Vetenskap .

Geologisk, katalytisk, biologiska och kemiska processer drivs av ytkemiska heterogeniteter, elektrostatiska fält och flöde. För att förstå dessa processer och för att möjliggöra vidareutveckling av nya material och mikroteknik, forskare vid EPFL:s Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) har designat ett mikroskop som kan spåra, i realtid, tredimensionella rumsliga förändringar i molekylstrukturen och kemin i slutna system, såsom krökta ytor och porer. Mikroskopet användes för att avbilda den kemiska ytstrukturen på insidan av en mikrokapillär av glas. Ytpotentialkartor konstruerades från millisekundbilderna, och den kemiska reaktionskonstanten för varje 188 nm bred pixel bestämdes. Förvånande, detta mycket enkla system - som används i många enheter - visade en anmärkningsvärd spridning i ytheterogenitet. Forskarnas resultat har publicerats i Science. Deras metod kommer att vara en välsignelse för att förstå grundläggande (elektro)kemi, geologiska och katalytiska processer och för att bygga nya enheter.

Second-harmonic avbildning

Sylvie Roke, chef för Julia Jacobi Chair of Photomedicine vid EPFL, har utvecklat en unik uppsättning optiska verktyg för att studera vatten och vattenhaltiga gränssnitt på nanoskala. Hon använder andra-harmonisk och summafrekvensgenerering, som är optiska processer där två fotoner av en viss färg omvandlas till en ny färg. "Den andra harmoniska processen involverar 1000 nm femtosekundfotoner - det vill säga, 0,000000000000001-sekunders ljusskurar - omvandlas till 500 nm fotoner, och detta sker bara vid gränssnitt, " säger Roke. "Den är därför idealisk för gränssnittsmikroskopi. Tyvärr, processen är mycket ineffektiv. Men genom att använda ett antal optiska knep, såsom bredfältsavbildning och ljusformning, vi kunde förbättra både bildgenomströmningen och upplösningen, vilket ger tid att spela in en bild från minuter till 250 millisekunder. "

Överraskande ytkemi

Forskarna avbildade sedan deprotoneringsreaktionen av den inre gränsytan mellan kiselkapillär och vatten i realtid. Kiseldioxid är ett av de mest förekommande mineralerna på jorden, och dess växelverkan med vatten formar vårt klimat och vår miljö. Även om många forskare har karakteriserat egenskaperna hos gränsytan mellan kiseldioxid och vatten, det finns ingen konsensus om dess kemiska reaktivitet. Roke fortsätter:"Våra data visar varför det finns en anmärkningsvärd spridning i ytreaktivitet, även på en mycket liten del av en kapillär. Våra data kommer att hjälpa till i utvecklingen av teoretiska modeller som är mer effektiva för att fånga denna överraskande komplexitet. Dessutom, vår avbildningsmetod kan användas för en mängd olika processer, som för att analysera en bränslecells realtidsfunktion, eller för att se vilken strukturell aspekt av ett mineral som är mest kemiskt aktiv. Vi skulle också kunna få mer insikt i nanokanaler och både konstgjorda och naturliga porer.