De kan vara små och osynliga, säger Xiaoji Xu, men aerosolpartiklarna suspenderade i gaser spelar en roll för molnbildning och miljöföroreningar och kan vara skadliga för människors hälsa.

Aerosolpartiklar, som finns i dis, damm och fordonsavgaser, mäta i mikronerna. En mikron är en miljondels meter; ett tunt människohår är cirka 30 mikron tjockt.

Partiklarna, säger Xu, är bland de många material vars kemiska och mekaniska egenskaper inte kan mätas fullt ut förrän forskarna utvecklar en bättre metod för att studera material i mikroskala såväl som den mycket mindre nanoskalan (1 nm är en miljarddels meter).

Xu, en biträdande professor i kemi, har utvecklat en sådan metod och använt den för att utföra icke -invasiv kemisk avbildning av olika material, samt mekanisk kartläggning med en rumslig upplösning på 10 nanometer.

Tekniken, kallas peak force infrared (PFIR) mikroskopi, kombinerar spektroskopi och scanning-sondmikroskopi. Förutom att belysa aerosolpartiklar, Xu säger, PFIR kommer att hjälpa forskare att studera mikro- och nanoskala fenomen i en mängd olika inhomogena material.

"Material i naturen är sällan homogena, " säger Xu. "Funktionella polymermaterial består ofta av nanoskaliga domäner som har specifika uppgifter. Cellulära membran är inbäddade med proteiner som är nanometer stora. Nanoskala defekter av material finns som påverkar deras mekaniska och kemiska egenskaper.

"PFIR-mikroskopi representerar ett grundläggande genombrott som kommer att möjliggöra flera innovationer inom områden som sträcker sig från studiet av aerosolpartiklar till utredningen av heterogena och biologiska material, säger Xu.

Xu och hans grupp rapporterade nyligen sina resultat i en artikel med titeln "Nanoskala samtidig kemisk och mekanisk avbildning via infraröd mikroskopi med toppkraft." Artikeln publicerades i Vetenskapens framsteg , en tidskrift från American Association for the Advancement of Science, som också ger ut tidningen Science.

Artikelns huvudförfattare är Le Wang, en Ph.D. student vid Lehigh. Medförfattare inkluderar Xu och Lehigh Ph.D. studenter Haomin Wang och Devon S. Jakob, samt Martin Wagner från Bruker Nano i Santa Barbara, Kalifornien, och Yong Yan från New Jersey Institute of Technology.

"PFIR-mikroskopi möjliggör pålitlig kemisk avbildning, samlingen av bredbandsspektra, och samtidig mekanisk mappning i en enkel installation med en rumslig upplösning på ~10 nm, "skrev gruppen.

"Vi har undersökt tre typer av representativa material, nämligen, mjuka polymerer, perovskitkristaller och bornitrid nanorör, som alla ger en stark PFIR-resonans för entydig nanokemisk identifiering. Många andra material bör också passa för den multimodala karaktärisering som PFIR -mikroskopi har att erbjuda.

"Sammanfattningsvis, PFIR-mikroskopi kommer att ge ett kraftfullt analytiskt verktyg för utforskningar på nanoskala över breda discipliner."

Xu och Le Wang publicerade också en ny artikel om användningen av PFIR för att studera aerosoler. Med titeln "Spektroskopisk och mekanisk karakterisering i nanoskala av individuella aerosolpartiklar med infraröd mikroskopi med toppkraft, " Artikeln dök upp i ett "Emerging Investigators"-nummer av Kemisk kommunikation , en tidskrift från Royal Society of Chemistry. Xu presenterades som en av de nya utredarna i frågan. Artikeln samförfattades med forskare från University of Macau och City University of Hong Kong, båda i Kina.

PFIR erhåller samtidigt kemisk och mekanisk information, säger Xu. Det gör det möjligt för forskare att analysera ett material på olika platser, och för att bestämma dess kemiska sammansättningar och mekaniska egenskaper på var och en av dessa platser, i nanoskala.

"Ett material är inte ofta homogent, " säger Xu. "Dess mekaniska egenskaper kan variera från en region till en annan. Biologiska system som cellväggar är inhomogena, och så är material med defekter. Funktionerna i en cellvägg är cirka 100 nanometer i storlek, placera dem väl inom räckvidden för PFIR och dess kapacitet."

PFIR har flera fördelar jämfört med att skanna nära fält optisk mikroskopi (SNOM), den nuvarande metoden för att mäta materialegenskaper, säger Xu. Först, PFIR får ett fylligare infrarött spektrum och en skarpare bild-6 nm rumslig upplösning-av ett större antal material än SNOM. SNOM fungerar bra med oorganiska material, men får inte en lika stark infraröd signal som Lehigh-tekniken gör från mjukare material som polymerer eller biologiska material.

"Vår teknik är mer robust, " säger Xu. "Det fungerar bättre med mjuka material, kemiskt såväl som biologiskt. "

Den andra fördelen med PFIR är att den kan utföra vad Xu kallar punktspektroskopi.

"Om det finns något av kemiskt intresse på en yta, " Xu säger, "Jag satte en AFM [atomkraftsmikroskopi]-sond på den platsen för att mäta toppkraftens infraröda respons.

"Det är mycket svårt att erhålla dessa spektra med strömspridnings-typ scanning närfält optisk mikroskopi. Det kan göras, men det kräver mycket dyra ljuskällor. Vår metod använder en smalbandig infraröd laser och kostar cirka $100, 000. Den befintliga metoden använder en bredbandsljuskälla och kostar cirka 300 USD, 000."

En tredje fördel, säger Xu, är att PFIR erhåller ett mekaniskt såväl som ett kemiskt svar från ett material.

"Ingen annan spektroskopimetod kan göra detta, "säger Xu." Är ett material styvt eller mjukt? Är den inhomogen - är den mjuk i ett område och stel i ett annat? Hur varierar kompositionen från de mjuka till de styva områdena? Ett material kan vara relativt styvt och ha en typ av kemisk sammansättning inom ett område, och vara relativt mjuk med en annan typ av komposition i ett annat område.

"Vår metod erhåller samtidigt kemisk och mekanisk information. Den kommer att vara användbar för att analysera ett material på olika platser och bestämma dess sammansättning och mekaniska egenskaper på var och en av dessa platser, i nanoskala. "

En fjärde fördel med PFIR är dess storlek, säger Xu.

"Vi använder en bordslaser för att få infraröda spektra. Vår är en mycket kompakt ljuskälla, i motsats till de mycket större storlekarna av konkurrerande ljuskällor. Vår laser ansvarar för att samla in information om kemisk sammansättning. Vi får mekanisk information från AFM. Vi integrerar de två typerna av mätningar i en enhet för att samtidigt få två informationskanaler. "

Även om PFIR inte fungerar med vätskeprover, säger Xu, den kan mäta egenskaperna hos torkade biologiska prover, inklusive cellväggar och proteinaggregat, uppnå en rumsupplösning på 10 nm utan färgning eller genetisk modifiering.