先进的显微技术揭示了纳米级水的新方面

伊利诺伊大学芝加哥分校开发的一种新型显微镜技术使研究人员能够首次在纳米尺度水平显示液体 - 分辨率是传统透射电子显微镜的10倍。

通过在两个二维氮化硼层之间捕获微量液体，可以使用传统的透射电子显微镜和光谱技术以极高的分辨率对液体样品成像。该方法可以提供关于单个分子的振动状态的信息。

这项新技术可用于跟踪生物研究中使用的纳米尺度示踪剂，并以前所未有的分辨率可视化液 - 固界面的过程。研究人员使用他们的专用样品架或氮化硼液体池，描述了纳米级水和重水的独特性质。他们在杂志上报告了他们的发现先进材料。

UIC物理学教授，该论文的高级作者罗伯特·凯利说：“虽然将重点放在看似很好理解为水的东西上似乎很奇怪，但当它被限制在纳米尺度时，我们仍然无法理解这些东西。” “在能源，催化，化学和生物学方面的许多应用依赖于水中的纳米级相互作用，我们无法使用当前可用的测量技术进行可视化。”

“使用我们的专用电池，我们可以观察水的振动行为，并开始探索它如何以极小的量限制在氮化硼层内，”该论文的相应作者Jacob Jokisaari和该博士后的博士后研究员说。 UIC物理系。

首先，研究人员必须解决如何分离微量液体以准备扫描透射电子显微镜的问题，该电子显微镜使用聚焦电子束对样品进行成像。通常情况下，样品必须冷冻或用环氧树脂包裹，然后在放置在电子束下之前切成薄片，用户只需几秒钟即可在蒸发之前拍摄样品。

“我们想看看微量的液体，我们转向纳米材料来封装和支撑液体而不影响测量，”Klie说。“因为二维材料只由一层原子组成，它们几乎不会影响用于成像液体的电子束，但它们足以将液体气泡保持在显微镜真空中。”

在测试了几种二维材料后，研究人员最终选择了纳米层的氮化硼。该材料能够含有水分子，并且对振动水分子产生的红外辐射是透明的。但进展缓慢。

“这些是非常微小和脆弱的材料 - 只是学习如何握住和操纵它们需要几个月，”Klie说。

该团队花了将近四年的时间才能将水和其表兄，重水夹在氮化硼层之间，并在大学透射电子显微镜中将其置于适当的位置。

“我们用显微镜可以降低约350毫电子伏特的能量分辨率，但我们知道我们需要更好的分辨率来测量水的振动特性。我们需要使用更好的显微镜，”Klie说。电子伏特是一种测量单位，可用于描述振动粒子的能量。

该团队将他们的氮化硼电池带到田纳西州能源部橡树岭国家实验室，美国能源部科学用户设施办公室纳米材料科学中心的研究人员可以使用世界上最先进的扫描传输电子显微镜。最佳能量分辨率。使用该显微镜，Klie及其同事能够看到，当微量分离时，水的表现不同。

“当我们的细胞中少量被限制时，我们看到它的振动频率发生了变化，”橡树岭国家实验室的博士后研究员，该论文的作者乔丹哈奇特说。

通常，大量的水以420毫电子伏特振动，但是Klie目睹了被困在他的电池中的水以406毫电子伏特振动。

研究人员使用高能分辨率电子显微镜观察重水 - 而不是两个氢原子与氧原子结合，氢被氘取代，氘比氢重。在实验中，重水通常用于标记感兴趣的分子。虽然能够识别细胞中重水的位置已经成为可能，但它从未像Klie的新技术所提供的分辨率水平一样可视化。

以前的工作着眼于宏观或微米级别的水的电化学，其中性质在大体积上取平均值。但是当以足够小的尺度进行检查时，电化学反应看起来非常不同

“测量水如何与其他物质结合并与其他物质相互作用，例如在水接触其他物质的界面，或水中发生的相互作用，如金属腐蚀，到目前为止在纳米尺度上是不可能的，”Jokisaari说。“这项工作为电化学和原子水平的检验铺平了道路，其中基于计算机建模的理论已经超越了实验技术。”

“这种新的电子显微镜技术让我们可以看到在纳米级液体环境中发生的物理和化学过程 - 比其他现有方法测得的体积小得多，”Klie说。“在如此小的尺度上，我们认为像水一样基本的东西的行为随着个别原子键的变化而变化，局部电场和表面的接近度开始影响其正常行为。”