Forskare vid California Institute of Technology (Caltech) har utarbetat en ny teknik - med hjälp av ett ark av kol som bara är en atom tjockt - för att visualisera strukturen hos molekyler. Tekniken, som användes för att få de första direkta bilderna av hur vatten belägger ytor vid rumstemperatur, kan också användas för att avbilda ett potentiellt obegränsat antal andra molekyler, inklusive antikroppar och andra biomolekyler.

En artikel som beskriver metoden och studierna av vattenskikt visas i numret av den 3 september av tidskriften Vetenskap .

"Nästan alla ytor har en beläggning av vatten på sig, säger James Heath, Elizabeth W. Gilloon professor och professor i kemi vid Caltech, "och att vatten dominerar gränsytans egenskaper" - egenskaper som påverkar slitaget på den ytan. Medan ytbeläggningar av vatten är allestädes närvarande, de är också väldigt svåra att studera, eftersom vattenmolekylerna är "i konstant flöde, och sitta inte stilla tillräckligt länge för att tillåta mätningar, " han säger.

Helt av en slump, Heath och hans kollegor utvecklade en teknik för att fästa de rörliga molekylerna, under rumstemperaturförhållanden. "Det var en lycklig olycka - en som vi var smarta nog att inse betydelsen av, " säger han. "Vi studerade grafen på en atomärt plan yta av glimmer och hittade några ö-formade strukturer i nanoskala instängda mellan grafen och glimmer som vi inte förväntade oss att se."

grafen, som är sammansatt av ett enatoms tjockt lager av kolatomer i ett bikakeliknande galler (som kycklingnät, men i atomär skala), ska vara helt platt när den läggs på en atomärt plan yta. Heath och hans kollegor – före detta Caltech-student Ke Xu, nu vid Harvard University, och doktorand Peigen Cao – trodde att anomalierna kunde vara vatten, fångad och fångade under grafen; vattenmolekyler, trots allt, finns överallt.

För att testa idén, forskarna genomförde andra experiment där de deponerade grafenarken vid olika fuktighetsnivåer. De udda strukturerna blev vanligare vid högre luftfuktighet, och försvann under helt torra förhållanden, vilket ledde till att forskarna drog slutsatsen att de verkligen var vattenmolekyler täckta av grafen. Heath och hans kollegor insåg att grafenarket var "atomiskt konformt" - det kramade om vattenmolekylerna så hårt, nästan som krympplast, att den avslöjade deras detaljerade atomstruktur när den undersöktes med atomkraftsmikroskopi. (Atomkraftsmikroskop använder en mekanisk sond för att i huvudsak "känna" ytorna på föremål.)

"Tekniken är väldigt enkel - det är lite anmärkningsvärt att det fungerar, " säger Heath. Metoden, han förklarar, "är ungefär som hur människor sprayar kol eller guld på biologiska celler så att de kan avbilda dem. Kolet eller guldet fixar cellerna. Här, grafenen mallar perfekt de svagt adsorberade vattenmolekylerna på ytan och håller dem på plats, i upp till ett par månader åtminstone."

Med hjälp av tekniken, forskarna avslöjade nya detaljer om hur vatten täcker ytor. De fann att det första lagret av vatten på glimmer faktiskt är två vattenmolekyler tjockt, och har strukturen av is. När det lagret är helt bildat, en sekund, två molekyltjocka lager av is bildas. Dessutom, "du får droppar, " säger Heath. "Det är verkligen fantastiskt att de två första adsorberade lagren av vatten bildar isliknande mikroskopiska öar vid rumstemperatur, " säger Xu. "Dessa fascinerande strukturer är sannolikt viktiga för att bestämma ytegenskaperna hos fasta ämnen, Inklusive, till exempel, smörjning, adhesion, och korrosion."

Forskarna har sedan dess framgångsrikt testat andra molekyler på andra typer av atomärt plana ytor - sådan planhet är nödvändig så att molekylerna inte lägger sig i ofullkomligheter i ytan, förvränga deras struktur mätt genom grafenskiktet. "Vi har ännu inte hittat ett system som det här inte fungerar för, " säger Heath. Han och hans kollegor arbetar nu för att förbättra upplösningen av tekniken så att den kan användas för att avbilda atomstrukturen hos biomolekyler som antikroppar och andra proteiner. "Vi har tidigare observerat enskilda atomer i grafen med hjälp av skanningstunnelering mikroskop, ", säger Cao. "Liknande upplösning bör också kunna uppnås för grafentäckta molekyler."

"Vi kunde drapera grafen över biologiska molekyler - inklusive molekyler i åtminstone delvis vattenhaltiga miljöer, eftersom du kan ha vatten närvarande – och potentiellt få deras 3D-struktur, " säger Heath. Det kan till och med vara möjligt att bestämma strukturen hos komplicerade molekyler, som protein-proteinkomplex, "som är mycket svåra att kristallisera, " han säger.

Medan data från en molekyl kan avslöja bruttostrukturen, data från 10 kommer att avslöja finare funktioner – och beräkningssammansättning av data från 1, 000 identiska molekyler kan avslöja varje atomär vrå och vrår.

Om du föreställer dig att grafen draperat över en molekyl är ungefär som ett lakan som kastas över en sovande katt på din säng, Heath förklarar, att ha en bild av den lakansklädda klumpen – i en riktning – kommer att berätta för dig att det är ett litet djur, inte en sko. Med 10 bilder, du kan se att det är en katt och inte en kanin. Med många fler bilder, du kommer att veta om det är en fluffig katt - även om du aldrig kommer att se tabbyränderna."