La technique de microscopie avancée révèle de nouveaux aspects de l'eau à l'échelle nanométrique

Anonim

Une nouvelle technique de microscopie mise au point à l'Université de l'Illinois à Chicago permet aux chercheurs de visualiser pour la première fois les liquides à l'échelle nanométrique, soit environ dix fois plus de résolution qu'avec la microscopie électronique à transmission traditionnelle.

En piégeant de minuscules quantités de liquide entre deux couches bidimensionnelles de nitrure de bore, l'échantillon liquide peut être visualisé à une résolution extrêmement élevée en utilisant un microscope électronique à transmission traditionnel et des techniques de spectroscopie. Cette approche pourrait fournir des informations sur l'état vibrationnel des molécules individuelles.

La nouvelle technique peut être utilisée pour suivre des traceurs de taille nanométrique utilisés en recherche biologique et pour visualiser des processus à des interfaces liquide-solide avec une résolution sans précédent. À l'aide de leur porte-échantillon spécialisé ou d'une cellule liquide en nitrure de bore, les chercheurs décrivent des propriétés uniques de l'eau et de l'eau lourde à l'échelle nanométrique. Ils rapportent leurs conclusions dans la revue Advanced Materials.

"Bien que cela puisse sembler étrange de se concentrer sur quelque chose d'aussi bien compris que l'eau, il y a encore des choses que nous ne comprenons pas lorsqu'il est confiné à l'échelle nanométrique", a déclaré Robert Klie, professeur de physique à l'UIC. "Tant d'applications dans les domaines de l'énergie, de la catalyse, de la chimie et de la biologie dépendent des interactions à l'échelle nanométrique dans l'eau, que nous n'avons pas pu visualiser en utilisant les techniques de mesure actuellement disponibles."

"En utilisant notre cellule spécialisée, nous pouvons examiner le comportement vibratoire de l’eau et commencer à explorer comment elle agit dans des quantités extrêmement petites confinées dans les couches de nitrure de bore", a déclaré Jacob Jokisaari, auteur post-doctorant département de physique à l'UIC.

Tout d'abord, les chercheurs ont dû résoudre le problème de la manière d'isoler de petites quantités de liquide en préparation pour la microscopie électronique à transmission par balayage, qui utilise un faisceau d'électrons focalisé pour imager des échantillons. Normalement, les échantillons doivent être congelés ou emballés dans de l’époxy, puis coupés en couches minces avant d’être placés sous le faisceau d’électrons, où l’utilisateur dispose de quelques secondes pour prendre des photos de l’échantillon avant qu’il ne se vaporise.

"Nous voulions examiner de petites quantités de liquide et nous nous sommes tournés vers les nanomatériaux pour encapsuler et soutenir le liquide sans affecter les mesures", a déclaré Klie. "Comme les matériaux à deux dimensions ne comprennent qu'une seule couche d'atomes, ils influencent à peine le faisceau d'électrons utilisé pour imager le liquide, mais ils sont assez solides pour contenir la bulle de liquide dans le vide du microscope."

Après avoir testé plusieurs matériaux bidimensionnels, les chercheurs ont finalement opté pour des nanocouches de nitrure de bore. Ce matériau a été capable de contenir les molécules d'eau et est transparent au rayonnement infrarouge généré par les molécules d'eau vibrantes. Mais les progrès ont été lents.

"Ce sont des morceaux de matériel extrêmement petits et fragiles - il faut des mois pour apprendre à les tenir et à les manipuler", a déclaré Klie.

Il a fallu près de quatre ans à l'équipe pour pouvoir prendre en sandwich l'eau et son cousin, l'eau lourde, entre les couches de nitrure de bore et la mettre en place dans le microscope électronique à transmission de l'université.

"Notre microscope nous a permis d'obtenir une résolution d'énergie de l'ordre de 350 milli-électron-volts, mais nous savions que nous avions besoin de meilleures résolutions pour mesurer les propriétés vibratoires de l'eau. Nous avions besoin d'un meilleur microscope", a déclaré Klie. Un électron-volt est une unité de mesure pouvant être utilisée pour décrire l’énergie des particules vibrantes.

L'équipe a apporté sa cellule de nitrure de bore au Oak Ridge National Laboratory du Department of Energy, au Tennessee, où des chercheurs du Centre for Nanophase Materials Sciences, une installation du Département des sciences du DOE, ont accès à un microscope électronique à meilleures résolutions d'énergie. À l'aide de ce microscope, Klie et ses collègues ont pu constater que, lorsqu'elle est isolée en petites quantités, l'eau se comporte différemment.

"Nous avons constaté qu’il y avait un changement dans sa fréquence vibratoire lorsqu’elle était confinée en petites quantités dans notre cellule", a déclaré Jordan Hachtel, chercheur postdoctoral au Oak Ridge National Laboratory et auteur du document.

Normalement, l'eau en grande quantité vibre à 420 milli-électron-volts, mais Klie a constaté que l'eau piégée dans sa cellule vibrait à 406 milli-électron-volts.

Les chercheurs ont également utilisé le microscope électronique à haute résolution pour visualiser l’eau lourde - où au lieu de deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène, les hydrogènes sont remplacés par du deutérium, plus lourd que l’hydrogène. L'eau lourde est souvent utilisée pour marquer des molécules d'intérêt dans des expériences. Bien qu'il ait été possible d'identifier l'emplacement de l'eau lourde dans les cellules, elle n'a jamais été visualisée avec le niveau de résolution offert par la nouvelle technique de Klie.

Les travaux précédents portent sur l'électrochimie de l'eau au niveau macro ou micrométrique, où les propriétés sont moyennées sur un grand volume. Mais les réactions électrochimiques apparaissent très différemment lorsqu'elles sont examinées à une échelle suffisamment petite.

"Mesurer la façon dont l'eau se lie et interagit avec d'autres substances, comme une interface où l'eau touche quelque chose, ou des interactions dans l'eau, comme la corrosion des métaux, a été impossible à l'échelle nanométrique jusqu'à présent", a déclaré Jokisaari. "Ce travail ouvre la voie à l’examen de l’électrochimie et du niveau atomique, où la théorie basée sur la modélisation informatique a pris de l’avance sur les techniques expérimentales."

"Cette nouvelle technique de microscopie électronique nous permet de voir les processus physiques et chimiques se dérouler dans un environnement liquide à l'échelle nanométrique - des volumes bien inférieurs à ce que peuvent mesurer les autres méthodes actuellement disponibles", a déclaré Klie. "A de si petites échelles, le comportement de quelque chose que nous considérons comme fondamental, comme l’eau, change lorsque des liaisons atomiques individuelles, des champs électriques locaux et la proximité de surfaces commencent à affecter son comportement normal."

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