Un seul brin d'ADN. Les polluants toxiques dans une bouffée d'air. Un échantillon de peinture d'une œuvre d'art inestimable. Éclats d'une météorite martienne. Ce n'est qu'un aperçu de ce que les scientifiques pourront examiner avec le nouveau microscope - un microscope Raman à force atomique, pour être exact, maintenant hébergé dans le laboratoire Lammot du Pont de l'Université du Delaware.

« UD est ravi d'ajouter ce nouvel outil important et à la pointe de la technologie à notre gamme d'instruments pour l'examen des matériaux à haute résolution, " dit Charles G. Riordan, vice-président à la recherche, bourse et innovation. "Avec cette capacité, Faculté de l'UD, les étudiants et le personnel seront en mesure de faire avancer la recherche et l'éducation dans un large éventail de domaines, de l'ingénierie aux sciences physiques en passant par la conservation de l'art."

Le nouveau microscope aidera les chercheurs à aller là où ils ne pouvaient pas auparavant. Les oscilloscopes précédents n'avaient tout simplement pas la très haute résolution et la puissance de découverte chimique de celui-ci.

"Ce microscope permettra aux scientifiques de voir des objets 10, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain et fournissent des informations détaillées sur la surface d'un matériau et sa chimie, " dit Karl Booksh, professeur de chimie et de biochimie et la force de ralliement derrière la proposition réussie d'UD à la National Science Foundation. NSF est venu avec un 558 $, 228 de ses programmes d'instrumentation de recherche majeure et d'instrumentation de recherche en chimie et du programme établi pour stimuler la recherche concurrentielle (EPSCoR). L'UD Research Office a également contribué à la prise en charge du coût de l'instrument, qui a été acheté à Horiba, un fournisseur leader de systèmes de mesure analytiques et scientifiques.

Ce nouvel outil est un « twofer scientifique, " combinant deux microscopes en un. Un microscope Raman, du nom du regretté physicien indien et prix Nobel Sir Chandrashekhara Venkata Raman, scanne un échantillon avec un laser, interagir avec les vibrations de la molécule d'intérêt, diffusion de la lumière. Ces motifs lumineux servent d'« empreintes digitales » pour identifier les molécules et pour étudier leurs liaisons chimiques et leur degré d'interactivité avec d'autres molécules.

Un microscope à force atomique scanne un échantillon à l'aide d'une petite sonde qui donne des informations sur la surface, comme sa topographie, dureté, propriétés électriques et thermiques. Cette sonde, à pointe d'or, est presque "atomiquement pointu, " ce qui signifie qu'il est virtuellement capable de détecter un seul atome.

La combinaison des deux techniques au sein d'un même microscope fournit simultanément une mine d'informations. Et c'est important pour un certain nombre d'études à travers l'Université et avec des collaborateurs de l'industrie, ainsi que des institutions partenaires telles que le Winterthur Museum.

Mettre la portée au travail

Au cours de l'été 2019, doctorant Devon Haugh et de premier cycle Savannah Talledo, un étudiant du Wofford College participant à l'initiative de leadership scientifique et technique financée par la NSF à l'UD, utilisé le nouveau microscope pour étudier les polluants atmosphériques. De minuscules particules de gaz provenant des gaz d'échappement des véhicules et de la suie générées par la combustion du charbon peuvent alimenter le changement climatique et augmenter le risque d'asthme, les maladies pulmonaires, maladies cardiaques et autres problèmes de santé. Le microscope a permis de déterminer l'acidité des particules en suspension dans l'air, ce qui influence la vitesse à laquelle ils se développeront dans l'atmosphère.

« Comprendre l'acidité peut nous aider à améliorer les prévisions sur la façon dont les particules en suspension dans l'air affectent la santé humaine et le climat, " a déclaré Murray Johnson, professeur de chimie et biochimie, qui dirige le projet. « Dans un laboratoire conventionnel, l'acidité est mesurée avec un pH-mètre. Cependant, cette approche ne fonctionne pas pour les particules en suspension dans l'air à l'échelle submicrométrique, d'où la nécessité de nouvelles approches de mesure telles que la microsonde Raman."

Haugh était heureuse d'avoir accès au nouvel instrument pour son travail.

"Je me soucie de la santé de notre environnement, " a-t-elle déclaré. " Ce projet me permet de contribuer à mieux le comprendre et à le protéger. "

Les experts du laboratoire de recherche et d'analyse scientifiques de Winterthur concentreront le microscope sur les précieuses collections de textiles historiques du musée, ainsi que ses peintures d'exportation chinoises des XVIIIe et XIXe siècles, selon Jocelyn Alcántara-García, professeur adjoint et co-chercheur sur la subvention. Dans la première moitié du XIXe siècle, avec l'essor du commerce extérieur dû à l'ouverture des ports en Chine, un grand nombre de pigments chimiques synthétiques occidentaux ont été importés en Chine. Avant longtemps, ces pigments artificiels ont remplacé les pigments minéraux et végétaux que les peintres chinois utilisaient traditionnellement dans leurs œuvres d'art, de l'aquarelle au verre peint à l'envers. Le nouveau microscope aidera les scientifiques de la conservation à mieux comprendre cette période de transition.

Alcántara-García a déclaré qu'elle utilisera l'instrument pour comprendre les fixateurs qui ont été utilisés pour fixer la teinture dans les textiles historiques, qui aidera les restaurateurs de textiles et autres professionnels des musées à déterminer les mécanismes de dégradation et les interventions potentielles.

Résoudre les défis sur Terre et sur Mars

Maintenant, à propos de ces météorites… dans une collaboration qui a commencé lorsqu'il a rejoint la faculté de l'UD il y a dix ans, Booksh travaille avec le scientifique principal de Merck, Joseph P. Smith, qui a obtenu son doctorat en chimie analytique à l'UD, et avec le professeur du Collège Marietta Frank Smith, qui a obtenu son doctorat en géologie à l'UD, pour percer certains des secrets des planètes grâce aux indices fournis par lunaire, Météorites martiennes et astéroïdes. Les échantillons sont parvenus à l'équipe de bonne foi – du Johnson Space Center de la NASA et du Smithsonian.

L'intérêt principal de l'équipe est la composition chimique et les propriétés de ces roches, qui contiennent des « poches de choc » créées à partir de toutes les fractures et fusions qui se sont produites lorsqu'elles ont heurté le sol. Leur chimie peut aider à révéler la géologie et les atmosphères de leurs planètes natales. Smith a déclaré que les travaux pourraient également aider à la recherche de vie sur Mars dans les missions de rover 2020 de la NASA et de l'Agence spatiale européenne.

"Les rovers de la NASA et de l'ESA auront tous deux, pour la première fois, Des spectromètres Raman pour aider à caractériser les matériaux de surface martiens, " Smith a dit. " En tant que tel, nos travaux sur les météorites peuvent aider à améliorer la recherche de la vie sur Mars en développant des méthodologies optimales de collecte et d'analyse de données."

Booksh et Smith travaillent également sur d'autres problèmes intrigants ici sur Terre, en tant que collaborateurs de Merck &Co. Inc. et du projet UD axé sur les applications pharmaceutiques. L'équipe étudiera le polymorphisme dans le développement de médicaments - la capacité d'un solide à exister sous deux ou plusieurs formes cristallines, chacun avec des propriétés physiques et chimiques très différentes. Les polymorphes sont particulièrement préoccupants pour l'industrie pharmaceutique car l'une de ces formes peut être toxique, et plus de 50 pour cent des ingrédients pharmaceutiques actifs ont plus d'un polymorphe.

« Nous espérons développer la prochaine génération de techniques analytiques qui aideront à résoudre ces défis complexes auxquels l'industrie pharmaceutique est confrontée, " dit Smith.