Des chercheurs de l'EPFL ont développé un outil d'imagerie optique pour visualiser la chimie de surface en temps réel. Ils ont imagé la chimie interfaciale dans la géométrie microscopiquement confinée d'un simple micro-capillaire en verre. Le verre est recouvert de groupes hydroxyle (-OH) qui peuvent perdre un proton - une réaction chimique très étudiée qui est importante en géologie, chimie et technologie. Un capillaire de 100 microns de long présentait un écart remarquable dans la constante de dissociation des liaisons OH de surface d'un facteur d'un milliard. La recherche a été publiée dans Science .

Géologique, catalytique, les processus biologiques et chimiques sont entraînés par des hétérogénéités chimiques de surface, champs et flux électrostatiques. Pour comprendre ces processus et permettre le développement ultérieur de nouveaux matériaux et de la microtechnologie, des chercheurs du Laboratoire de biophotonique fondamentale (LBP) de l'EPFL ont conçu un microscope capable de suivre, en temps réel, changements spatiaux tridimensionnels dans la structure moléculaire et la chimie des systèmes confinés, telles que les surfaces courbes et les pores. Le microscope a été utilisé pour imager la structure chimique de surface de l'intérieur d'un microcapillaire en verre. Des cartes de potentiel de surface ont été construites à partir des images millisecondes, et la constante de réaction chimique de chaque pixel de 188 nm de large a été déterminée. Étonnamment, ce système très simple - qui est utilisé dans de nombreux appareils - présentait une dispersion remarquable de l'hétérogénéité de surface. Les découvertes des chercheurs ont été publiées dans Science. Leur méthode sera une aubaine pour comprendre les fondamentaux (électro)chimiques, processus géologiques et catalytiques et pour la construction de nouveaux dispositifs.

Imagerie de la deuxième harmonique

Sylvie Roke, directeur de la Chaire Julia Jacobi de photomédecine à l'EPFL, a développé un ensemble unique d'outils optiques pour étudier l'eau et les interfaces aqueuses à l'échelle nanométrique. Elle utilise la génération de la deuxième harmonique et de la somme des fréquences, qui sont des processus optiques dans lesquels deux photons d'une certaine couleur sont convertis en une nouvelle couleur. "Le processus de la deuxième harmonique implique des photons femtosecondes de 1000 nm - c'est-à-dire, Éclats de lumière de 0,0000000000001 seconde - convertis en photons de 500 nm, et cela ne se produit qu'aux interfaces, " dit Roke. " Il est donc idéal pour la microscopie interfaciale. Malheureusement, le processus est très inefficace. Mais en utilisant un certain nombre d'astuces optiques, telles que l'imagerie grand champ et la mise en forme de la lumière, nous avons pu améliorer à la fois le débit d'imagerie et la résolution, ramenant le temps d'enregistrement d'une image de quelques minutes à 250 millisecondes."

Chimie de surface surprenante

Les chercheurs ont ensuite imagé la réaction de déprotonation de l'interface capillaire interne silice/eau en temps réel. La silice est l'un des minéraux les plus abondants sur terre, et son interaction avec l'eau façonne notre climat et notre environnement. Bien que de nombreux chercheurs aient caractérisé les propriétés de l'interface silice/eau, il n'y a pas de consensus sur sa réactivité chimique. Roke poursuit :"Nos données montrent pourquoi il y a une dispersion remarquable de la réactivité de surface, même sur une très petite portion d'un capillaire. Nos données aideront au développement de modèles théoriques plus efficaces pour saisir cette complexité surprenante. En outre, notre méthode d'imagerie peut être utilisée pour une grande variété de processus, comme par exemple pour analyser le fonctionnement en temps réel d'une pile à combustible, ou pour voir quelle facette structurelle d'un minéral est la plus chimiquement active. Nous pourrions également mieux comprendre les nanocanaux et les pores artificiels et naturels.