Un microscope à force atomique, qui est utilisé pour capturer des images haute résolution des interfaces liquide-solide. Crédit photo :Patrick Gillouly
(PhysOrg.com) -- La mouillabilité -- le degré auquel un liquide s'étale sur une surface ou se forme en gouttelettes -- est cruciale pour une grande variété de processus. Cela influence, par exemple, avec quelle facilité le pare-brise d'une voiture s'embue, et affecte également le fonctionnement des batteries avancées et des systèmes de piles à combustible.
Jusqu'à maintenant, la seule façon de quantifier cette caractéristique importante de la surface d'un matériau a été de mesurer les formes des gouttelettes qui se forment dessus, et cette méthode a une résolution très limitée. Mais une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un moyen d'obtenir des images qui améliorent la résolution de telles mesures d'un facteur 10, 000 ou plus, permettant une précision sans précédent dans la détermination des détails des interactions entre les liquides et les surfaces solides. En outre, la nouvelle méthode peut être utilisée pour étudier les courbes, surfaces solides texturées ou complexes, quelque chose qui ne pouvait pas être fait auparavant.
"C'est quelque chose qui était impensable avant, " dit Francesco Stellacci, le Paul M. Cook Career Development Associate Professor of Materials Science and Engineering au MIT, chef de l'équipe qui a développé la nouvelle méthode. « Cela nous permet de faire une carte du mouillage, " C'est, une vue détaillée de la manière exacte dont le liquide interagit avec la surface jusqu'au niveau des molécules ou des atomes individuels, par opposition à l'interaction moyenne de la goutte entière.
La nouvelle méthode est décrite dans un article paru le 25 avril dans la revue Nature Nanotechnologie . L'auteur principal est le boursier postdoctoral Kislon Voďtchovsky, et le document est co-écrit par Stellacci et d'autres au MIT, En Angleterre, et en Italie. Stellacci explique que la capacité d'obtenir des images aussi détaillées est importante pour l'étude de processus tels que la catalyse, la corrosion et le fonctionnement interne des batteries et des piles à combustible, et de nombreux processus biologiques tels que les interactions entre protéines.
Par exemple, Voďtchovsky dit, en recherche biologique, « vous pouvez avoir un échantillon très inhomogène, avec toutes sortes de réactions partout. Maintenant, nous pouvons identifier certaines zones spécifiques qui déclenchent une réaction.
La méthode, développé avec le soutien du Fonds national suisse de la recherche scientifique et de la Fondation Packard, fonctionne en modifiant la programmation qui contrôle un microscope à force atomique (AFM). Cet appareil utilise une pointe acérée montée sur un porte-à-faux vibrant, qui balaye la surface d'un échantillon et réagit à la topologie et aux propriétés de l'échantillon pour fournir des images très détaillées. Stellacci et son équipe ont fait varier un paramètre d'imagerie clé :ils font vibrer la pointe de quelques nanomètres seulement (au lieu de dizaines à centaines de nanomètres, ce qui est typique).
Les images prises au microscope à force atomique à l'aide de la nouvelle technique de l'équipe du MIT peuvent montrer des détails d'atomes et de molécules individuels à l'interface entre un liquide et une surface solide. Micrographie avec l'aimable autorisation de Francesco Stellacci et Kislon Voitchovsky
"En faisant cela, vous améliorez réellement la résolution de l'AFM, », explique Stellacci. La résolution résultante, assez fin pour cartographier les positions d'atomes ou de molécules individuels, est « inégalé auparavant avec les instruments commerciaux, " il dit. Une telle résolution était réalisable auparavant avec des AFM spécialisés très coûteux, dont seuls quelques-uns existent dans le monde, mais peut maintenant être égalé par les modèles commerciaux beaucoup plus courants, dont il y en a des milliers. Stellacci et ses collègues pensent que l'amélioration de la résolution résulte de la façon dont la pointe vibrante amène l'eau à pousser à plusieurs reprises contre la surface et à y dissiper son énergie, mais cette explication reste à tester et à confirmer par d'autres chercheurs.
Avec leur démonstration à la fois d'un 10, Une amélioration de la résolution de 000 fois pour la fonction spécifique de mesure du mouillage des surfaces et une amélioration de 20 fois de la résolution globale de l'AFM à moindre coût, Stellacci dit qu'il n'est pas clair laquelle de ces applications finira par avoir le plus d'impact.
Arvind Raman, professeur et chercheur universitaire en génie mécanique à l'Université Purdue, convient que ces avancées ont un potentiel important. La méthode démontrée par cette équipe, dans laquelle Raman n'était pas impliqué, « peut régulièrement atteindre une résolution atomique sur des surfaces dures, même avec des systèmes AFM commerciaux, et il fournit un excellent aperçu physique des conditions optimales dans lesquelles cela peut être réalisé, qui sont tous deux des réalisations très importantes, " il dit. "Je pense vraiment que beaucoup dans le domaine de l'AFM vont sauter dessus et essayer d'utiliser la technique."
Raman ajoute que bien que l'interprétation de l'équipe des raisons pour lesquelles la méthode fonctionne comme elle le fait offre "un mécanisme possible derrière la formation de l'image, d'autres mécanismes plausibles existent également et devront être étudiés à l'avenir pour confirmer la découverte.
