Amerikanska statliga nanoteknikforskare har visat ett nytt fönster för att se vad som nu mestadels är hemliga operationer som sker i fuktigt, ogästvänliga världar i nanovärlden - tekniskt och medicinskt viktiga processer som sker vid gränserna mellan vätskor och fasta ämnen, som i batterier eller längs cellmembran.

Det nya tillvägagångssättet för mikrovågsavbildning överträffar röntgen- och elektronbaserade metoder som kan skada ömtåliga prover och leriga resultat. Och det skonar dyr utrustning från att utsättas för vätskor, samtidigt som man eliminerar behovet av att härda sonder mot frätande, toxisk, eller andra skadliga miljöer.

Skriver i journalen ACS Nano , samarbetspartnerna – från Center for Nanoscale Science and Technology vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) – beskriver sitt nya tillvägagångssätt för att avbilda reaktiva och biologiska prover på nanoskalanivåer under realistiska betingelser.

Nyckelelementet är ett fönster, ett ultratunt membran som separerar den nålliknande sonden i ett atomkraftmikroskop (AFM) från det underliggande provet, förvaras i små behållare som upprätthåller en konsekvent vätske- eller gasmiljö. Tillägget förvandlar närfältsmikrovågsavbildning till ett mångsidigt verktyg, utvidga användningen utöver halvledarteknik, där det används för att studera fasta strukturer, till en ny värld av vätskor och gaser.

"Den ultratunna, mikrovågsgenomskinligt membran gör att provet kan undersökas på ungefär samma sätt som jordens radar användes för att avslöja bilder av Venus yta genom dess ogenomskinliga atmosfär, " förklarade NIST-fysikern Andrei Kolmakov.

"Vi genererar mikrovågor i spetsen - eller i slutet av sondens spets, " sade Kolmakov. "Mikrovågorna penetrerar genom membranet några hundra nanometer djupt ner i vätskan upp till föremålet av intresse. När spetsen skannar provet från hela membranet, vi spelar in de reflekterade mikrovågorna för att skapa bilden."

Mikrovågor är mycket större än de nanoskaliga föremål som de är vana vid att "se". Men när den sänds ut från bara ett litet avstånd, Närfältsmikrovågor som reflekteras från ett prov ger en överraskande detaljerad bild.

I sina proof-of-concept-experiment, NIST-ORNL-teamet använde sitt hybridmikroskop för att få en bild i nanoskala av de tidiga stadierna av en silvergalvaniseringsprocess. Mikrovågsbilder fångade den elektrokemiska bildningen av förgrenade metallkluster, eller dendriter, på elektroder. Funktioner nästan så små som 100 nanometer (miljarddelar av en meter) kunde skönjas.

Lika viktigt, lågenergimikrovågorna var för svaga för att bryta kemiska bindningar, värme, eller stör på andra sätt processen de användes för att fånga i bilder. I kontrast, ett svepelektronmikroskop som användes för att registrera samma galvaniseringsprocess vid jämförbara upplösningsnivåer gav bilder som visade delaminering och andra destruktiva effekter av elektronstrålen.

Teamet rapporterar liknande framgångar med att använda sin AFM-mikrovågsuppställning för att spela in bilder av jästceller dispergerade i vatten eller glycerol. Nivåer av rumslig upplösning var jämförbara med de som uppnåddes med ett svepelektronmikroskop, men igen, var fria från skador orsakade av elektronstrålen.

I sina experiment, teamet använde membran – gjorda av antingen kiseldioxid eller kiselnitrid – som varierade i tjocklek från 8 nanometer till 50 nanometer. De hittade, dock, att ju tunnare membranet är desto bättre upplösning – ner till tiotals nanometer – och desto större sonderingsdjup – upp till hundratals nanometer.

"Dessa siffror kan förbättras ytterligare med inställning och utveckling av bättre elektronik, " sa Kolmakov.

Förutom att studera processer inom reaktiv, toxisk, eller radioaktiva miljöer, forskarna föreslår att deras tillvägagångssätt för mikrovågsavbildning kan integreras i "lab-on-a-chip" fluidiska enheter, där den kan användas för att prova vätskor och gaser.