En ny mikroskopiteknik utvecklad vid University of Illinois i Chicago gör det möjligt för forskare att visualisera vätskor på nanoskalanivå - cirka 10 gånger högre upplösning än med traditionell transmissionselektronmikroskopi - för första gången.

Genom att fånga små mängder vätska mellan två tvådimensionella skikt av bornitrid, vätskeprovet kan avbildas med extremt hög upplösning med ett traditionellt transmissionselektronmikroskop och spektroskopitekniker. Detta tillvägagångssätt kan ge information om vibrationstillståndet hos enskilda molekyler.

Den nya tekniken kan användas för att följa spårämnen i nanoskala som används i biologisk forskning, och att visualisera processer vid vätske-fasta gränssnitt med oöverträffad upplösning. Med hjälp av deras specialiserade provhållare, eller bornitrid flytande cell, forskarna beskriver unika egenskaper hos vatten och tungt vatten på nanoskalanivå. De rapporterar sina resultat i tidskriften Avancerade material .

"Även om det kan tyckas konstigt att fokusera på något så till synes välförstått som vatten, det finns fortfarande saker vi inte förstår när det är begränsat till nanoskala, sa Robert Klie, UIC professor i fysik och senior författare av tidningen. "Så många tillämpningar inom energi, katalys, kemi och biologi är beroende av nanoskala interaktioner i vatten, som vi inte har kunnat visualisera med för närvarande tillgängliga mättekniker."

"Med vår specialiserade cell, vi kan titta på vattnets vibrationsbeteende och börja utforska hur det verkar i extremt små mängder inneslutna i bornitridlagren, " sa Jacob Jokisaari, motsvarande författare till tidningen och en postdoktor vid institutionen för fysik vid UIC.

Först, forskarna var tvungna att lösa problemet med hur man isolerar små mängder vätska som förberedelse för scanning transmissionselektronmikroskopi, som använder en fokuserad elektronstråle för att avbilda prover. I vanliga fall, prover måste frysas eller inneslutas i epoxi och sedan skivas supertunna innan de placeras under elektronstrålen, där användaren bara har några sekunder på sig att ta bilder av provet innan det förångas.

"Vi ville titta på små mängder vätska, och vi vände oss till nanomaterial för att kapsla in och stödja vätskan utan att påverka mätningarna, ", sa Klie. "Eftersom de tvådimensionella materialen består av bara ett lager av atomer, de påverkar knappt elektronstrålen som används för att avbilda vätskan, ändå är de tillräckligt starka för att hålla vätskebubblan inuti mikroskopets vakuum."

Efter att ha testat flera tvådimensionella material, forskarna slog sig till slut på nanolager av bornitrid. Detta material kunde innehålla vattenmolekylerna och är transparent för den infraröda strålningen som genereras av de vibrerande vattenmolekylerna. Men framstegen gick långsamt.

"Det här är extremt små och ömtåliga bitar av material - att bara lära sig hur man håller och manipulerar dem tog månader, sa Klie.

Det tog nästan fyra år för laget att kunna smörja in vatten, och dess kusin, tungt vatten, mellan bornitridskikten och få det på plats i universitetets transmissionselektronmikroskop.

"Vi skulle kunna komma ner till cirka 350 milli-elektronvolts energiupplösning med vårt mikroskop, men vi visste att vi behövde bättre upplösningar för att mäta vattnets vibrationsegenskaper. Vi behövde tillgång till ett bättre mikroskop, " Sa Klie. En elektronvolt är en måttenhet som kan användas för att beskriva energin hos vibrerande partiklar.

Teamet tog sin bornitridcell till Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, där forskare vid Center for Nanophase Materials Sciences, en användaranläggning för DOE Office of Science, ha tillgång till ett sveptransmissionselektronmikroskop med en av världens bästa energiupplösningar. Med hjälp av det mikroskopet, Klie och kollegor kunde se att när de isolerades i små mängder, vatten beter sig annorlunda.

"Vi såg att det skedde en förändring i dess vibrationsfrekvens när den var instängd i små mängder i vår cell, sa Jordan Hachtel, en postdoktorand forskare vid Oak Ridge National Laboratory och författare till artikeln.

I vanliga fall, vatten i stora mängder vibrerar vid 420 milli-elektronvolt, men Klie bevittnade att vatten instängt i hans cell vibrerade vid 406 millielektronvolt.

Forskarna använde elektronmikroskopet med hög energiupplösning för att också visualisera tungt vatten - där istället för två väteatomer bundna till en syreatom, väteämnena ersätts med deuterium, som är tyngre än väte. Tungt vatten används ofta för att märka molekyler av intresse i experiment. Även om det har varit möjligt att identifiera platsen för tungt vatten i celler, den har aldrig tidigare visualiserats med den upplösningsnivå som Klies nya teknik ger.

Tidigare arbete tittar på vattens elektrokemi på makro- eller mikrometernivå, där fastigheter medelvärdes ut över en stor volym. Men elektrokemiska reaktioner ser väldigt olika ut när de undersöks i tillräckligt liten skala.

"Mäta hur vatten binder och interagerar med andra ämnen, som vid ett gränssnitt där vatten vidrör något annat, eller interaktioner som äger rum i vatten såsom korrosion av metaller, har varit omöjligt på nanoskalanivå tills nu, ", sa Jokisaari. "Detta arbete banar väg för undersökning av elektrokemi och atomnivå, där teori baserad på datormodellering har gått långt före experimentella tekniker."

"Denna nya elektronmikroskopiteknik låter oss se fysiska och kemiska processer som sker i en flytande miljö på nanoskalanivå - mycket mindre volymer än vad som kan mätas med andra för närvarande tillgängliga metoder, sade Klie. I så liten skala, beteendet hos något vi tänker på som grundläggande, som vatten, förändringar som individuella atombindningar, lokala elektriska fält och närhet till ytor börjar påverka dess normala beteende."