Pueden ser pequeños e invisibles, dice Xiaoji Xu, pero las partículas de aerosol suspendidas en los gases juegan un papel en la formación de nubes y la contaminación ambiental y pueden ser perjudiciales para la salud humana.
Las partículas de aerosol, que se encuentran en la bruma, el polvo y el escape del vehículo, se miden en micras. Una micra es la millonésima parte de un metro; un cabello humano delgado tiene aproximadamente 30 micras de espesor
Las partículas, dice Xu, se encuentran entre los muchos materiales cuyas propiedades químicas y mecánicas no pueden medirse por completo hasta que los científicos desarrollen un mejor método para estudiar materiales a microescala, así como a la nanoescala mucho más pequeña 1 nm es una billonésima parte demetro.
Xu, profesor asistente de química, ha desarrollado dicho método y lo ha utilizado para realizar imágenes químicas no invasivas de una variedad de materiales, así como mapeo mecánico con una resolución espacial de 10 nanómetros.
La técnica, llamada microscopía de infrarrojos de fuerza máxima PFIR, combina la espectroscopía y la microscopía con sonda de exploración. Además de arrojar luz sobre las partículas de aerosol, Xu dice que PFIR ayudará a los científicos a estudiar fenómenos de micro y nanoescala en una variedad de materiales no homogéneos.
"Los materiales en la naturaleza rara vez son homogéneos", dice Xu. "Los materiales poliméricos funcionales a menudo consisten en dominios a nanoescala que tienen tareas específicas. Las membranas celulares están incrustadas con proteínas de tamaño nanométrico. Existen defectos de materiales a escala nanométrica que afectan su mecánica ypropiedades químicas.
"La microscopía PFIR representa un avance fundamental que permitirá múltiples innovaciones en áreas que van desde el estudio de partículas de aerosol hasta la investigación de materiales heterogéneos y biológicos", dice Xu.
Xu y su grupo informaron recientemente sus resultados en un artículo titulado "Imágenes químicas y mecánicas simultáneas a nanoescala mediante microscopía infrarroja de fuerza máxima". El artículo fue publicado en Avances científicos , una revista de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, que también publica ciencia revista
El autor principal del artículo es Le Wang, un estudiante de doctorado en Lehigh. Los coautores incluyen a los estudiantes de doctorado Xu y Lehigh Haomin Wang y Devon S. Jakob, así como Martin Wagner de Bruker Nano en Santa Bárbara, California., y Yong Yan del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey.
"la microscopía PFIR permite obtener imágenes químicas confiables, la recopilación de espectros de banda ancha y el mapeo mecánico simultáneo en una configuración simple con una resolución espacial de ~ 10 nm", escribió el grupo.
"Hemos investigado tres tipos de materiales representativos, a saber, polímeros blandos, cristales de perovskita y nanotubos de nitruro de boro, todos los cuales proporcionan una fuerte resonancia PFIR para una identificación nanoquímica inequívoca. Muchos otros materiales también deberían ser adecuados para la caracterización multimodal queLa microscopía PFIR tiene para ofrecer.
"En resumen, la microscopía PFIR proporcionará una poderosa herramienta analítica para exploraciones a nanoescala en amplias disciplinas"
Xu y Le Wang también publicaron un artículo reciente sobre el uso de PFIR para estudiar aerosoles. Titulado "Caracterización espectroscópica y mecánica a nanoescala de partículas de aerosol individuales usando microscopía de infrarrojos de fuerza máxima", el artículo apareció en una edición de "Investigadores emergentes" de ChemicalCommunications, una revista de la Royal Society of Chemistry. Xu fue presentado como uno de los investigadores emergentes en el tema. El artículo fue coautor con investigadores de la Universidad de Macao y la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, ambos en China.
PFIR obtiene simultáneamente información química y mecánica, dice Xu. Permite a los investigadores analizar un material en varios lugares y determinar sus composiciones químicas y propiedades mecánicas en cada uno de estos lugares, a nanoescala.
"Un material a menudo no es homogéneo", dice Xu. "Sus propiedades mecánicas pueden variar de una región a otra. Los sistemas biológicos como las paredes celulares no son homogéneos, y también lo son los materiales con defectos. Las características de una pared celular miden aproximadamente100 nanómetros de tamaño, colocándolos dentro del alcance de PFIR y sus capacidades ".
PFIR tiene varias ventajas sobre el escaneo de microscopía óptica de campo cercano SNOM, el método actual de medición de las propiedades del material, dice Xu. Primero, PFIR obtiene un espectro infrarrojo más completo y una imagen más nítida - resolución espacial de 6 nm - deuna variedad más amplia de materiales que SNOM. SNOM funciona bien con materiales inorgánicos, pero no obtiene una señal infrarroja tan fuerte como la técnica de Lehigh de materiales más blandos como polímeros o materiales biológicos.
"Nuestra técnica es más robusta", dice Xu. "Funciona mejor con materiales blandos, químicos y biológicos".
La segunda ventaja de PFIR es que puede realizar lo que Xu llama espectroscopía de puntos.
"Si hay algo de interés químicamente en una superficie", dice Xu, "coloco una sonda AFM [microscopía de fuerza atómica] en esa ubicación para medir la respuesta infrarroja de fuerza máxima.
"Es muy difícil obtener estos espectros con la microscopía óptica de exploración de campo cercano de tipo dispersión actual. Se puede hacer, pero requiere fuentes de luz muy caras. Nuestro método utiliza un láser infrarrojo de banda estrecha y cuesta alrededor de $ 100,000.El método existente utiliza una fuente de luz de banda ancha y cuesta alrededor de $ 300,000 ".
Una tercera ventaja, dice Xu, es que PFIR obtiene una respuesta mecánica y química de un material.
"Ningún otro método de espectroscopia puede hacer esto", dice Xu. "¿Es un material rígido o blando? ¿No es homogéneo? ¿Es blando en un área y rígido en otra? ¿Cómo varía la composición de lo blando a lo rígido?áreas: un material puede ser relativamente rígido y tener un tipo de composición química en un área, y ser relativamente blando con otro tipo de composición en otra área.
"Nuestro método obtiene simultáneamente información química y mecánica. Será útil para analizar un material en varios lugares y determinar sus composiciones y propiedades mecánicas en cada uno de estos lugares, a nanoescala".
Una cuarta ventaja de PFIR es su tamaño, dice Xu.
"Utilizamos un láser de sobremesa para obtener espectros infrarrojos. La nuestra es una fuente de luz muy compacta, a diferencia de los tamaños mucho más grandes de fuentes de luz de la competencia. Nuestro láser es responsable de recopilar información sobre la composición química. Obtenemos información mecánicadel AFM. Integramos los dos tipos de mediciones en un dispositivo para obtener simultáneamente dos canales de información ".
Aunque PFIR no funciona con muestras líquidas, dice Xu, puede medir las propiedades de las muestras biológicas secas, incluidas las paredes celulares y los agregados de proteínas, logrando una resolución espacial de 10 nm sin tinción o modificación genética.
El trabajo de Xu ha sido respaldado por fondos iniciales de Lehigh, una beca de investigación de facultad de Lehigh y el apoyo de equipos en especie de Bruker Nano.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Original escrito por Kurt Pfitzer. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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