En enkel DNA-sträng. De giftiga föroreningarna i en ström av luft. Ett färgprov från ett ovärderligt konstverk. Flingor av en marsmeteorit. Det är bara en smula av vad forskare kommer att kunna undersöka med det nya mikroskopet - ett atomkraft-Raman-mikroskop, för att vara exakt – nu inrymt i University of Delawares Lammot du Pont Laboratory.

"UD är glada över att lägga till detta viktiga och toppmoderna nya verktyg till vår svit av instrument för att undersöka material med hög upplösning, sade Charles G. Riordan, vice ordförande för forskning, stipendium och innovation. "Med denna förmåga, UD fakultet, studenter och personal kommer att kunna driva forskning och utbildning framåt inom ett brett spektrum av områden, från teknik till fysik till konstkonservering."

Det nya mikroskopet kommer att hjälpa forskare att gå dit de inte kunde tidigare. Tidigare skop hade helt enkelt inte den superhöga upplösning och kemiavtäckande kraft som den här har.

"Detta mikroskop kommer att tillåta forskare att se objekt 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår – plus ge detaljerad information om både ytan på ett material och dess kemi, sade Karl Booksh, professor i kemi och biokemi och den samlande kraften bakom UD:s framgångsrika förslag till National Science Foundation. NSF kom igenom med en $558, 228-anslag från dess stora forskningsinstrumenterings- och kemiforskningsinstrumentprogram och det etablerade programmet för att stimulera konkurrenskraftig forskning (EPSCoR). UD Research Office hjälpte också till att stödja kostnaderna för instrumentet, som köptes från Horiba, en ledande leverantör av analytiska och vetenskapliga mätsystem.

Detta nya verktyg är en "vetenskaplig tvåer, " som kombinerar två mikroskop i ett. Ett Raman-mikroskop, uppkallad efter den bortgångne indiske fysikern och nobelisten Sir Chandrashekhara Venkata Raman, skannar ett prov med laser, interagerar med vibrationerna hos den intressanta molekylen, sprider ljuset. Dessa ljusmönster fungerar som "fingeravtryck" för att identifiera molekylerna och för att studera deras kemiska bindningar och graden av interaktivitet med andra molekyler.

Ett atomkraftmikroskop skannar ett prov med hjälp av en liten sond som ger information om ytan, såsom dess topografi, hårdhet, elektriska och termiska egenskaper. Denna sond, tippad i guld, är nästan "atomärt skarp, " vilket betyder att den praktiskt taget kan detektera en enda atom.

Att kombinera båda teknikerna i ett enda mikroskop ger en mängd information samtidigt. Och det är viktigt för ett antal studier över universitetet och med branschsamarbetspartners, samt samarbetsinstitutioner som Winterthur Museum.

Att sätta utrymmet i arbete

Under sommaren 2019 doktorand Devon Haugh och grundexamen Savannah Talledo, en Wofford College-student som deltar i det NSF-finansierade Science and Engineering Leadership Initiative vid UD, använde det nya mikroskopet för att studera luftföroreningar. Små gaspartiklar från fordonsavgaser och sot som genereras från förbränning av kol kan underblåsa klimatförändringar och öka risken för astma, lungsjukdom, hjärtsjukdomar och andra hälsoproblem. Mikroskopet hjälpte till att bestämma surheten hos de luftburna partiklarna, vilket påverkar hur snabbt de kommer att växa i atmosfären.

"Att förstå surhet kan hjälpa oss att förbättra förutsägelser om hur luftburna partiklar påverkar människors hälsa och klimat, sa Murray Johnson, professor i kemi och biokemi, vem som leder projektet. "I ett konventionellt laboratorium, surheten mäts med en pH-mätare. Dock, det tillvägagångssättet fungerar inte för luftburna partiklar på skalan av submikrometerstorlek, därav behovet av nya mätmetoder som Raman-mikrosonden."

Haugh var glad över att ha tillgång till det nya instrumentet för sitt arbete.

"Jag bryr mig om vår miljös hälsa, ", sa hon. "Det här projektet tillåter mig att bidra till bättre förståelse och skydd av det."

Experter vid Winterthurs vetenskapliga forsknings- och analyslab kommer att fokusera mikroskopet på museets värdefulla samlingar av historiska textilier, såväl som dess kinesiska exportmålningar från 1700- och 1800-talen, enligt Jocelyn Alcántara-García, biträdande professor och en medutredare om anslaget. Under första hälften av 1800-talet, med uppsving i utrikeshandeln på grund av öppnandet av hamnar i Kina, ett stort antal västerländska syntetiska kemiska pigment importerades till Kina. Inom kort, dessa konstgjorda pigment ersatte de mineral- och växtpigment som kinesiska målare traditionellt hade använt i sina konstverk, från akvareller till omvänt målat glas. Det nya mikroskopet kommer att hjälpa naturvårdsforskare att få en bättre förståelse för denna övergångsperiod.

Alcántara-García sa att hon kommer att använda instrumentet för att förstå fixativen som användes för att sätta färgen i historiska textilier, som kommer att hjälpa textilkonservatorer och andra museiprofessionella att fastställa nedbrytningsmekanismer och potentiella ingrepp.

Att lösa utmaningar på jorden och Mars

Nu, om de där meteoriterna … i ett samarbete som började när han började på UD-fakulteten för ett decennium sedan, Booksh arbetar med Merck senior vetenskapsman Joseph P. Smith, som tog sin doktorsexamen i analytisk kemi vid UD, och med Marietta College professor Frank Smith, som tog sin doktorsexamen i geologi vid UD, att låsa upp några av planeternas hemligheter genom ledtrådar från månen, Mars- och asteroidmeteoriter. Proverna kom till teamet med god auktoritet - från NASA:s Johnson Space Center och från Smithsonian.

Teamets främsta intresse är den kemiska sammansättningen och egenskaperna hos dessa stenar, som innehåller "chockfickor" skapade av all sprickbildning och smältning som inträffade när de träffade marken. Deras kemi kan hjälpa till att avslöja geologin och atmosfären på deras hemplaneter. Smith sa att arbetet också kan hjälpa sökandet efter liv på Mars i NASA:s och Europeiska rymdorganisationens roveruppdrag 2020.

"NASA och ESA rovers kommer båda att ha, för första gången, Raman-spektrometrar för att karakterisera ytmaterial från Mars, " sade Smith. "Som sådan, vårt arbete med att undersöka meteoriter kan hjälpa till att förbättra sökandet efter liv på Mars genom att utveckla optimala datainsamlings- och analysmetoder."

Booksh och Smith arbetar också med andra spännande problem här på jorden – som samarbetspartners i Merck &Co. Inc. och UD-projekt med fokus på farmaceutiska tillämpningar. Teamet kommer att undersöka polymorfism i läkemedelsutveckling - förmågan hos ett fast ämne att existera i två eller flera kristallina former, var och en med mycket olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Polymorfer är av särskilt intresse för läkemedelsindustrin eftersom en av dessa former kan vara giftig, och mer än 50 procent av de aktiva farmaceutiska ingredienserna har mer än en polymorf.

"Vi hoppas kunna utveckla nästa generation av analytiska tekniker som kommer att hjälpa till att lösa dessa komplexa utmaningar som läkemedelsindustrin står inför, " sa Smith.