Размер частиц аэрозоля, содержащихся в дымке, пыли и выхлопных газах автомобилей, измеряется в микронах. Один микрон равен одной миллионной метра; тонкий человеческий волос имеет толщину около 30 микрон.По словам Сюй, частицы являются одними из многих материалов, химические и механические свойства которых невозможно полностью измерить, пока ученые не разработают лучший метод изучения материалов в микромасштабе, а также в гораздо меньшем наномасштабе (1 нм составляет одну миллиардную метра). .Сюй, доцент химии, разработал такой метод и использовал его для выполнения неинвазивной химической визуализации различных материалов, а также механического картирования с пространственным разрешением 10 нанометров.Этот метод, называемый пиковой инфракрасной микроскопией (PFIR), сочетает в себе спектроскопию и сканирующую зондовую микроскопию.
По словам Сюя, PFIR не только проливает свет на аэрозольные частицы, но и поможет ученым изучать микро- и наноразмерные явления в различных неоднородных материалах.«Материалы в природе редко бывают однородными», — говорит Сюй. «Функциональные полимерные материалы часто состоят из наноразмерных доменов, которые выполняют определенные задачи. В клеточные мембраны встроены белки нанометрового размера. Существуют наноразмерные дефекты материалов, которые влияют на их механические и химические свойства.
«Микроскопия PFIR представляет собой фундаментальный прорыв, который сделает возможным множество инноваций в различных областях, от изучения аэрозольных частиц до исследования гетерогенных и биологических материалов», — говорит Сюй.Сюй и его группа недавно сообщили о своих результатах в статье под названием «Наноуровневая одновременная химическая и механическая визуализация с помощью инфракрасной микроскопии пиковых сил». Статья была опубликована в Science Advances, журнале Американской ассоциации содействия развитию науки, который также издает журнал Science.
Ведущий автор статьи — доктор философии Ле Ван. студент в Лихайе. Среди соавторов — Сюй и доктор философии Лихай. студенты Хаомин Ван и Девон С. Якоб, а также Мартин Вагнер из Bruker Nano в Санта-Барбаре, Калифорния, и Йонг Ян из Технологического института Нью-Джерси.«Микроскопия PFIR обеспечивает надежную химическую визуализацию, сбор широкополосных спектров и одновременное механическое картирование в одной простой установке с пространственным разрешением ~ 10 нм», — написали в группе.
«Мы исследовали три типа репрезентативных материалов, а именно мягкие полимеры, кристаллы перовскита и нанотрубки нитрида бора, все из которых обеспечивают сильный PFIR-резонанс для однозначной нанохимической идентификации. Многие другие материалы также должны подходить для мультимодальной характеристики, которую PFIR-микроскопия может предложить.
«Таким образом, микроскопия PFIR предоставит мощный аналитический инструмент для исследований в наномасштабе в самых разных дисциплинах».Сюй и Ле Ван также опубликовали недавнюю статью об использовании PFIR для изучения аэрозолей. Статья под названием «Наноразмерная спектроскопическая и механическая характеристика отдельных аэрозольных частиц с использованием инфракрасной микроскопии пиковых сил» появилась в выпуске «Emerging Investigators» журнала Chemical Communications, журнала Королевского химического общества. Сюй был представлен как один из начинающих исследователей этого вопроса.
Статья написана в соавторстве с исследователями из Университета Макао и Городского университета Гонконга, которые находятся в Китае.PFIR одновременно получает химическую и механическую информацию, — говорит Сюй.
Это позволяет исследователям анализировать материал в различных местах и определять его химический состав и механические свойства в каждом из этих мест на наноуровне.«Материал не всегда бывает однородным», — говорит Сюй. «Его механические свойства могут варьироваться от одного региона к другому.
Биологические системы, такие как клеточные стенки, неоднородны, как и материалы с дефектами. Характеристики клеточной стенки имеют размер около 100 нанометров, что позволяет им находиться в пределах диапазона PFIR и возможности ".
По словам Сюя, PFIR имеет несколько преимуществ перед сканирующей ближнепольной оптической микроскопией (SNOM), современным методом измерения свойств материалов. Во-первых, PFIR получает более полный инфракрасный спектр и более четкое изображение — пространственное разрешение 6 нм — более широкого спектра материалов, чем SNOM.
СБОМ хорошо работает с неорганическими материалами, но не дает такого сильного инфракрасного сигнала, как метод Lehigh для более мягких материалов, таких как полимеры или биологические материалы.«Наша техника более надежна», — говорит Сюй. «Он лучше работает с мягкими материалами, как химическими, так и биологическими».Второе преимущество PFIR заключается в том, что он может выполнять то, что Сюй называет точечной спектроскопией.
«Если на поверхности есть что-то химически интересное, — говорит Сюй, — я помещаю зонд АСМ [атомно-силовая микроскопия] в это место, чтобы измерить пиковую силу инфракрасного отклика.«Очень сложно получить эти спектры с помощью современной сканирующей ближнепольной оптической микроскопии типа рассеяния.
Это можно сделать, но для этого требуются очень дорогие источники света. В нашем методе используется узкополосный инфракрасный лазер и стоит около 100 000 долларов. метод использует широкополосный источник света и стоит около 300 000 долларов ».Третье преимущество, говорит Сюй, состоит в том, что PFIR получает как механический, так и химический отклик от материала.«Никакой другой метод спектроскопии не может этого сделать», — говорит Сюй. «Является ли материал жестким или мягким?
Он неоднороден — мягкий в одной области и жесткий в другой? Как состав меняется от мягких областей к жестким?
Материал может быть относительно жестким и иметь один тип химического состава. в одной области и быть относительно мягким с другим типом композиции в другой области.«Наш метод одновременно получает химическую и механическую информацию. Он будет полезен для анализа материала в различных местах и определения его состава и механических свойств в каждом из этих мест на наноуровне».Четвертое преимущество PFIR — это его размер, — говорит Сюй.
«Мы используем настольный лазер для получения инфракрасных спектров. Наш источник света очень компактный, в отличие от гораздо больших размеров конкурирующих источников света. Наш лазер отвечает за сбор информации о химическом составе. Мы получаем механическую информацию из AFM.
Мы объединяем два типа измерений в одно устройство для одновременного получения двух каналов информации ».Хотя PFIR не работает с жидкими образцами, говорит Сюй, он может измерять свойства высушенных биологических образцов, включая клеточные стенки и белковые агрегаты, достигая пространственного разрешения 10 нм без окрашивания или генетической модификации.
Работа Сюй была поддержана стартовым финансированием от Lehigh, исследовательским грантом Lehigh Faculty Research Grant и поддержкой оборудования в натуральной форме от Bruker Nano.