Mjuk materia omfattar ett brett skikt av material, inklusive vätskor, polymerer, geler, skum och – viktigast av allt – biomolekyler. I hjärtat av mjuka material, styr deras övergripande egenskaper och kapacitet, är växelverkan mellan komponenter i nanostorlek. Att observera dynamiken bakom dessa interaktioner är avgörande för att förstå viktiga biologiska processer, såsom proteinkristallisation och metabolism, och skulle kunna bidra till att påskynda utvecklingen av viktig ny teknik, såsom artificiell fotosyntes eller högeffektiva solceller. Att observera denna dynamik med tillräcklig upplösning har varit en stor utmaning, men denna utmaning möts nu av en ny icke-invasiv nanoskala avbildningsteknik som går under förkortningen CLAIRE.

CLAIRE står för "katodoluminescensaktiverad avbildning genom resonansenergiöverföring." Uppfunnet av forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley, CLAIRE utökar elektronmikroskopins otroliga upplösning till dynamisk avbildning av mjuk materia.

"Traditionell elektronmikroskopi skadar mjuka material och har därför främst använts för att tillhandahålla topografisk eller sammansättningsinformation om robusta oorganiska fasta ämnen eller fasta sektioner av biologiska prover, säger kemisten Naomi Ginsberg, som leder CLAIRES utveckling. "CLAIRE tillåter oss att omvandla elektronmikroskopi till en ny icke-invasiv avbildningsmodalitet för att studera mjuka material och tillhandahålla spektralt specifik information om dem på nanoskala."

Ginsberg har möten med Berkeley Labs Physical Biosciences Division och dess Materials Sciences Division, samt UC Berkeleys avdelningar för kemi och fysik. Hon är också medlem i Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) i Berkeley. Hon och hennes forskargrupp demonstrerade nyligen CLAIREs avbildningsförmåga genom att tillämpa tekniken på nanostrukturer av aluminium och polymerfilmer som inte direkt kunde ha avbildats med elektronmikroskopi.

"Vilka mikroskopiska defekter i molekylära fasta ämnen ger upphov till deras funktionella optiska och elektroniska egenskaper? Genom vilken potentiellt kontrollerbar process bildas sådana fasta ämnen från deras individuella mikroskopiska komponenter, initialt i lösningsfasen? Svaren kräver att man observerar dynamiken i elektroniska excitationer eller i själva molekylerna när de utforskar rumsligt heterogena landskap i kondenserade fassystem, " säger Ginsberg. "I vår demonstration, vi fick optiska bilder av aluminium nanostrukturer med 46 nanometer upplösning, validerade sedan CLAIREs icke-invasivitet genom att avbilda en konjugerad polymerfilm. Den höga upplösningen, hastighet och icke-invasivitet som vi visade med CLAIRE positionerar oss för att förändra vår nuvarande förståelse av viktiga biomolekylära interaktioner."

CLAIRE fungerar genom att i huvudsak kombinera de bästa egenskaperna hos optisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi till en enda bildplattform. Svepelektronmikroskop använder elektronstrålar snarare än ljus för belysning och förstoring. Med mycket kortare våglängder än fotoner av synligt ljus, elektronstrålar kan användas för att observera föremål hundratals gånger mindre än de som kan lösas upp med ett optiskt mikroskop. Dock, dessa elektronstrålar förstör de flesta former av mjuk materia och är oförmögna till spektralt specifik molekylär excitation.

Ginsberg och hennes kollegor kommer runt dessa problem genom att använda en process som kallas "katodoluminescens, " där en ultratunn glittrande film, ca 20 nanometer tjock, består av ceriumdopad yttriumaluminiumperovskit, sätts in mellan elektronstrålen och provet. När den scintillerande filmen exciteras av en lågenergielektronstråle (ca 1 KeV), den avger energi som överförs till provet, vilket får provet att stråla. Denna luminescens registreras och korreleras till elektronstrålens position för att bilda en bild som inte är begränsad av den optiska diffraktionsgränsen.

Att utveckla den glittrande filmen och integrera den i en mikrochipsavbildningsenhet var ett enormt uppdrag, Ginsberg säger, och hon krediterar sin forskargrupps "talang och engagemang" för framgången. Hon ger också mycket beröm till personalen och kapaciteten på Molecular Foundry, en användaranläggning för DOE Office of Science, där CLAIRE-bilddemonstrationen genomfördes.

"The Molecular Foundry gjorde det verkligen möjligt för CLAIRE-bildbehandling att komma till liv, " säger hon. "Vi samarbetade med forskare där för att designa och installera en högeffektiv ljusinsamlingsapparat i ett av gjuteriets svepelektronmikroskop och deras råd och input var fantastiska. Att vi kan arbeta med gjuteriforskare för att modifiera instrumenteringen och förbättra dess kapacitet inte bara för våra egna experiment utan även för andra användare är unikt."

Även om det fortfarande finns mer arbete att göra för att göra CLAIRE allmänt tillgänglig, Ginsberg och hennes grupp går vidare med ytterligare förbättringar för flera specifika tillämpningar.

"Vi är intresserade av icke-invasiv avbildning av mjuka funktionella material som de aktiva skikten i solceller och ljusemitterande enheter, " säger hon. "Det är särskilt sant i organiska och organiska/oorganiska hybrider att morfologin hos dessa material är komplex och kräver upplösning i nanoskala för att korrelera morfologiska egenskaper till funktioner."

Ginsberg och hennes grupp arbetar också med att skapa flytande celler för att observera biomolekylära interaktioner under fysiologiska förhållanden. Eftersom elektronmikroskop bara kan fungera i ett högt vakuum, eftersom molekyler i luften stör elektronstrålen, och eftersom vätskor avdunstar i högvakuum, vattenhaltiga prover måste antingen frystorkas eller hermetiskt förslutas i speciella celler.

"Vi behöver flytande celler för CLAIRE att studera den dynamiska organisationen av ljusuppsamlande proteiner i fotosyntetiska membran, " säger Ginsberg. "Vi borde också kunna utföra andra studier inom membranbiofysik för att se hur molekyler diffunderar i komplexa miljöer, och vi skulle vilja kunna studera molekylär igenkänning på enstaka molekylnivå."

Dessutom, Ginsberg och hennes grupp kommer att använda CLAIRE för att studera dynamiken i nanoskalasystem för mjuka material i allmänhet.

"Vi skulle älska att kunna observera kristallisationsprocesser eller se ett material tillverkat av komponenter i nanoskala glödga eller genomgå en fasövergång, " säger hon. "Vi skulle också älska att kunna se det elektriska dubbelskiktet på en laddad yta när det utvecklas, eftersom detta fenomen är avgörande för batterivetenskap."

En artikel som beskriver det senaste arbetet med CLAIRE har publicerats i tidskriften Nanobokstäver . Uppsatsen har titeln "Katodoluminescensaktiverad nanoimaging:Noninvasive Near-Field Optical Microscopy in an Electron Microscope." Ginsberg är motsvarande författare. Andra författare är Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz och Darrell Schlom.