Ett nytt mikroskop som ska byggas vid University of Houston (UH) kommer att ge forskare ett bättre sätt att studera de kemiska egenskaperna hos en rad ytor, kör omfånget från plast och metaller till celler och vatten. Forskare säger att detta kommer att hjälpa i både miljöstudier och materialvetenskap.

Ett tre år, 1 miljon dollar i anslag från W. M. Keck Foundation tilldelades Steven Baldelli, en docent i kemi vid UH, att bygga enheten. Baldelli samarbetar i detta projekt med Kevin Kelly, en docent i el- och datateknik vid Rice University.

"Ytor finns överallt, men att studera deras kemi är lite knepigt eftersom ytor ofta bara är en eller två atomer tjocka, " Sa Baldelli. "Ytor har vanligtvis andra egenskaper än huvuddelen av materialet."

Mikroskopet som Baldellis grupp bygger kommer att göra det möjligt för forskare att få mer information om ytor. Den nuvarande tekniken för generering av summafrekvens, eller SFG, använder en laser och ger den övergripande ytans kemiska natur, men inte den detaljerade kemin i olika regioner över en yta och hur de reagerar.

"Om du tittar på en metallbit, vissa delar kommer att bli glänsande, några tråkiga, några rostiga, " Sa Baldelli. "Kemin är inte enhetlig över ytan. Detta nya mikroskop kommer att fånga och tillhandahålla data för alla områden. Nuvarande teknik suddar ut detaljerna i specifika regioner."

Baldelli säger att att veta mer om de olika regionerna på en yta kommer att vara användbart för många vetenskapsområden, inklusive miljövetenskap för studier av mineraler och naturliga vattenytor, samt materialvetenskap för att tillverka olika material som metaller, legeringar och polymerer. För det nya mikroskopet, Baldelli kombinerar SFG med en teknik som kallas compressive sensing imaging, vilket gör det möjligt för forskare att dela upp data i lokala regioner för att se reaktionerna i det specifika området.

Enligt Baldelli, lasern låter dem lära sig hur ytmolekyler beter sig genom att titta på hur molekylerna interagerar med laserns ljus. När laserstrålen träffar provet, forskarna återställer signalen och analyserar vad som händer efter att den träffar, ge dem information om huruvida provet absorberar ljus, avger nya ljussignaler eller ändrar ljusets polarisering.

Innan du mottar Keck Foundation -bidraget, Baldelli- och Kelly-grupperna byggde en prototyp för att bevisa att konceptet skulle fungera. Baldelli och UH-studenten Xiaojun Cai arbetade med kemi och laseroptik, medan Kelly och hans elev Ting Sun manipulerade bilddata för analys av ytsignalerna. Deras resultat publicerades i Journal of Chemical Physics , tillsammans med en annan teammedlem och UH-alumn, Bian Hu, som arbetade med Rice-gruppen. Artikeln finns tillgänglig online på http://jcp.aip.org/resource/1/jcpsa6/v135/i19/p194202_s1.

"Det tog ett par år och byggdes med reservdelar, men vi har kunnat bevisa att principen fungerar, " sa Baldelli. "Vi har visat att vi kan återställa bilderna och ytsignalerna."

Bidraget gör det möjligt för teamet att köpa en snabbare laser, ger dem möjlighet att konstruera en enhet med förbättrad bildupplösning och datainsamlingshastighet. Med mer än 50 grupper över hela världen som använder den nuvarande SFG-tekniken för ytkemimätningar, Baldelli säger att när detta nya mikroskop är färdigt och helt testat, det kommer att vara lätt för forskare över hela världen att anta den extra funktionen av komprimerad avkänning.

"Omkring två tredjedelar av grupperna som använder SFG har redan en laser med snabb insamling, "Sade Baldelli. "När vi har byggt och testat detta kombinerade SFG- och kompressionsavkännande mikroskop, andra grupper borde kunna implementera tekniken utan alltför mycket extra kostnader."