När mycket energi träffar en atom, det kan slå av elektroner, gör atomen extremt kemiskt reaktiv och initierar ytterligare förstörelse. Det är därför strålning är så farlig. Det är också därför högupplösta bildtekniker som använder energiska elektronstrålar och röntgenstrålar kan förändras, till och med utplånad, proverna de utforskar. Till exempel, övervakning av batteridynamik med elektronmikroskopi kan introducera artefakter som stör elektrokemiska processer. Ett annat exempel:Att använda röntgenspektroskopi för att se inuti en levande cell förintar den cellen.

Nu, forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och National Institute of Standards and Technology har visat ett oförstörande sätt att observera objekt och processer i nanoskala under förhållanden som simulerar deras normala driftsmiljöer. De börjar med en "miljökammare" för att inkapsla ett prov i en vätska. Kammaren har ett fönster av ett ultratunt membran (8 till 50 miljarder av en meter, eller nanometer, tjock). Spetsen på ett scanningprobmikroskop rör sig över membranet, injicera mikrovågor i kammaren. Enheten registrerar var mikrovågssignalen sändes kontra hindrad och skapar en högupplöst karta över provet.

Eftersom de injicerade mikrovågorna är 100 miljoner gånger svagare än i en mikrovågsugn i hemmet, och de pendlar i motsatta riktningar flera miljarder gånger varje sekund så potentiellt destruktiva kemiska reaktioner kan inte fortsätta, ORNL-NIST-tekniken producerar endast försumbar värme och förstör inte provet. Forskarna rapporterar sitt nya tillvägagångssätt för att kombinera ultratunna membran med mikrovågor och en skanningssond - kallad skanning mikrovågsimpedansmikroskopi, eller sMIM - i journalen ACS Nano .

"Vår bildbehandling är oförstörande och fri från de skador som ofta orsakas på prover, sådana levande celler eller elektrokemiska processer, genom avbildning med röntgen- eller elektronstrålar, " sa första författaren Alexander Tselev. Med kollegorna Anton Ievlev och Sergei Kalinin vid Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, han utförde högupplöst mikrovågsbehandling och analys. "Dess rumsliga upplösning är bättre än vad som är möjligt med optiska mikroskop för liknande prover i vätska. Paradigmet kan bli instrumentellt för att få viktiga insikter om elektrokemiska fenomen, levande föremål och andra nanoskala system som finns i vätskor. "

Till exempel, Mikrovågsmikroskopi kan ge ett icke -invasivt sätt att utforska viktiga ytfenomen som förekommer på en miljarddels meter, till exempel bildandet av en tunn beläggning som skyddar och stabiliserar ett nytt batteris elektrod men kannibaliserar dess elektrolyt för att göra beläggningen. Mikrovågsmikroskopi, som gör det möjligt för forskare att se processer som de händer utan att stoppa dem kalla, gör det möjligt att karakterisera pågående kemiska reaktioner i olika skeden.

"Vid NIST, vi utvecklade miljökammare med ultratunna membran för att utföra elektronmikroskopi och andra analytiska tekniker i vätskor, " sa seniorförfattaren Andrei Kolmakov. Han och kollegan Jeyavel Velmurugan vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology gjorde kammare för att innesluta objekt och processer i flytande miljöer och utförde preliminära karakteriseringar för att identifiera biologiskt intressanta celler. "Samtal mellan ORNL- och NIST-forskarna resulterade i tanken att prova icke -destruktiva mikrovågor så att miljökammarna kan användas för bredare studier. Det finns väldigt få grupper i världen som kan avbilda med hög upplösning med hjälp av mikrovågor, och CNMS är bland dem. Experimentets utformning och anpassning av tekniken för bildbehandling krävde ORNL -expertis. "

ORNL- och NIST -forskarna kombinerade befintlig teknik på nya sätt och kom med ett unikt tillvägagångssätt som kan visa sig vara användbart inom medicinsk diagnostik, kriminalteknik och materialforskning.

"För första gången, vi kan avbilda genom ett mycket tunt membran, "Tselev sa." Mikrovågor och mikroskopi med skanningssond tillät det. "

Rätt verktyg för jobbet

För att avbilda högbeställda material, som kristaller, forskare kan använda tekniker som neutronspridning och röntgendiffraktion. För att avbilda mindre beställda material, såsom levande cellmembran, eller processer, såsom pågående kemiska reaktioner, ORNL-NIST-teamet samarbetade nära för att förnya rätt verktyg för jobbet.

När forskarna väl hade kombinerat miljökammaren med en scanningsmikrovågskapacitet, de undersökte ett modellsystem för att se om deras nya teknik skulle fungera och för att sätta en grundlinje för framtida experiment. De använde sMIM-systemet för att kartlägga polystyrenpartiklar som självmonteras till tätt packade strukturer i en vätska.

Med detta bevis på principen uppnått, de frågade sedan om deras system kunde skilja på silver, som är en elektrisk ledare, och silveroxid, en isolator, under galvanisering (en elektriskt inducerad reaktion för att avsätta silver på en yta). Optisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi är inte bra på att skilja silver från silveroxid. Mikrovågsmikroskopi, i kontrast, entydigt skiljer isolatorer från ledare. Nästa, forskarna behövde veta att observation med sMIM inte skulle introducera artefakter, som silverutfällning, som skanningelektronmikroskopi kan orsaka - ett problem som inte är trivialt. "Ett dokument listar 79 kemiska reaktioner inducerade av elektroner i vatten, "Tselev noterade. Generellt sett skanningelektronmikroskopi tillåter inte forskare att följa silverfällning för att bilda växande dendriter eftersom den tekniken är destruktiv. "Dendriter beter sig väldigt dåligt under en elektronstråle, "Sa Tselev. Med sMIM, elektrokemiska artefakter och processstopp förekom inte. "Medan sMIM inte är den enda oförstörande tekniken, i många fall kan det vara den enda som kan användas. "

Därefter avbildade forskarna levande celler. Eftersom friska och sjuka celler skiljer sig åt i egenskaper som förmågan att lagra elektrisk energi, intracellulär kartläggning kan utgöra en grund för diagnos. "Tomografisk bildbehandling - upplösning över djupen - är möjlig även med mikrovågor, " sa Tselev.

"Om du har mikrovågor, du kan gå varierande på djupet och få mycket information om själva det levande biologiska cellmembranet - form och egenskaper som beror mycket på den kemiska sammansättningen och vattenhalten, som i sin tur beror på om cellen är frisk eller inte." Forskarna kunde upptäcka egenskaper som skiljer friska från sjuka celler.

I de nuvarande experimenten, systemet tillät observation nära ytor. "Det betyder inte att vi inte kommer att kunna se djupare om vi designar om experimentet, "Tselev sa." Mikrovågor kan tränga in väldigt djupt. Djupet är i princip begränsat av kontaktstorleken mellan sonden och miljöcellmembranet. "

Därefter kommer forskarna att försöka förbättra känsligheten och rumslig upplösning i deras system. Eftersom gallring av väggarna i miljökammaren skulle förbättra upplösningen, forskarna kommer att försöka göra väggarna med grafen eller sexkantigt bornitrid, båda är bara en atom tjocka. De kommer också att använda olika sonder och bildbehandlingsalgoritmer för att förbättra upplösningen på olika djup.