Micrographie à force atomique de ~1 micromètre de large × 1,5 micromètres (millionièmes de mètre) de hauteur. Les cristaux de glace (bleu le plus clair) mesurent 0,37 nanomètres (milliardièmes de mètre) de haut, qui est la hauteur d'un cristal de glace épais de 2 molécules d'eau. Une feuille de graphène d'une épaisseur d'un atome est utilisée pour enduire et piéger de manière conforme l'eau qui s'est adsorbée sur une surface de mica, lui permettant d'être imagé et caractérisé par microscopie à force atomique. L'analyse détaillée de ces images révèle que cette (première couche) d'eau est de la glace, même à température ambiante. À des taux d'humidité élevés, une seconde couche d'eau va enrober la première couche, aussi comme glace. À des taux d'humidité très élevés, des couches d'eau supplémentaires recouvriront la surface sous forme de gouttelettes. Crédit :Groupe Heath/Caltech
Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont mis au point une nouvelle technique - utilisant une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur - pour visualiser la structure des molécules. La technique, qui a permis d'obtenir les premières images directes de la façon dont l'eau enrobe les surfaces à température ambiante, peut également être utilisé pour imager un nombre potentiellement illimité d'autres molécules, y compris les anticorps et autres biomolécules.
Un article décrivant la méthode et les études des couches d'eau paraît dans le numéro du 3 septembre de la revue Science .
"Presque toutes les surfaces sont recouvertes d'une couche d'eau, " dit James Heath, le professeur Elizabeth W. Giloon et professeur de chimie à Caltech, "et que l'eau domine les propriétés interfaciales" - propriétés qui affectent l'usure de cette surface. Alors que les revêtements de surface d'eau sont omniprésents, ils sont aussi très difficiles à étudier, parce que les molécules d'eau sont « en flux constant, et ne restez pas assis assez longtemps pour permettre les mesures, " il dit.
Par hasard, Heath et ses collègues ont développé une technique pour cerner les molécules en mouvement, dans des conditions de température ambiante. "C'était un heureux accident, un accident dont nous avons été assez intelligents pour reconnaître l'importance, ", dit-il. "Nous étudiions le graphène sur une surface atomiquement plate de mica et avons trouvé des structures en forme d'île à l'échelle nanométrique piégées entre le graphène et le mica que nous ne nous attendions pas à voir."
Graphène, qui est composé d'une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome dans un réseau en nid d'abeille (comme du grillage, mais à l'échelle atomique), doit être complètement plat lorsqu'il est appliqué sur une surface atomiquement plane. Heath et ses collègues, l'ancien étudiant diplômé de Caltech Ke Xu, maintenant à l'Université de Harvard, et l'étudiant diplômé Peigen Cao - pensaient que les anomalies pourraient être de l'eau, capturé et piégé sous le graphène; molécules d'eau, après tout, sont partout.
Pour tester l'idée, les chercheurs ont mené d'autres expériences dans lesquelles ils ont déposé les feuilles de graphène à différents niveaux d'humidité. Les structures étranges sont devenues plus répandues à une humidité plus élevée, et a disparu dans des conditions complètement sèches, conduisant les chercheurs à conclure qu'il s'agissait bien de molécules d'eau recouvertes de graphène. Heath et ses collègues ont réalisé que la feuille de graphène était "atomiquement conforme" - elle serrait si étroitement les molécules d'eau, presque comme du film rétractable, qu'il a révélé leur structure atomique détaillée lors de l'examen par microscopie à force atomique. (Les microscopes à force atomique utilisent une sonde mécanique pour essentiellement « sentir » les surfaces des objets.)
"La technique est très simple, c'est assez remarquable que ça marche, " Heath dit. La méthode, il explique, "est un peu comme la façon dont les gens pulvérisent du carbone ou de l'or sur des cellules biologiques afin qu'ils puissent les imager. Le carbone ou l'or fixe les cellules. Ici, le graphène modèle parfaitement les molécules d'eau faiblement adsorbées en surface et les maintient en place, jusqu'à quelques mois au moins."
Micrographie à force atomique de ~1 micromètre de large × 1,5 micromètres (millionièmes de mètre) de hauteur. Les cristaux de glace (bleu le plus clair) mesurent 0,37 nanomètres (milliardièmes de mètre) de haut, qui est la hauteur d'un cristal de glace épais de 2 molécules d'eau. Une feuille de graphène d'une épaisseur d'un atome est utilisée pour enrober et piéger de manière conforme l'eau qui s'est adsorbée sur une surface de mica, lui permettant d'être imagé et caractérisé par microscopie à force atomique. L'analyse détaillée de ces images révèle que cette (première couche) d'eau est de la glace, même à température ambiante. À des taux d'humidité élevés, une seconde couche d'eau va enrober la première couche, aussi comme glace. À des taux d'humidité très élevés, des couches d'eau supplémentaires recouvriront la surface sous forme de gouttelettes. Crédit :Groupe Heath/Caltech
En utilisant la technique, les chercheurs ont révélé de nouveaux détails sur la façon dont l'eau recouvre les surfaces. Ils ont découvert que la première couche d'eau sur le mica est en fait épaisse de deux molécules d'eau, et a la structure de la glace. Une fois que cette couche est complètement formée, une seconde, une couche de glace de deux molécules d'épaisseur se forme. En plus de ça, "vous obtenez des gouttelettes, " Heath dit. " C'est vraiment incroyable que les deux premières couches d'eau adsorbées forment des îles microscopiques ressemblant à de la glace à température ambiante, " dit Xu. " Ces structures fascinantes sont probablement importantes pour déterminer les propriétés de surface des solides, comprenant, par exemple, lubrification, adhésion, et la corrosion."
Les chercheurs ont depuis testé avec succès d'autres molécules sur d'autres types de surfaces atomiquement plates - une telle planéité est nécessaire pour que les molécules ne se nichent pas dans les imperfections de la surface, déformer leur structure telle que mesurée à travers la couche de graphène. "Nous devons encore trouver un système pour lequel cela ne fonctionne pas, " dit Heath. Lui et ses collègues travaillent maintenant à améliorer la résolution de la technique afin qu'elle puisse être utilisée pour imager la structure atomique de biomolécules comme des anticorps et d'autres protéines. "Nous avons déjà observé des atomes individuels dans le graphène en utilisant le tunnel de balayage. microscope, " dit Cao. " Une résolution similaire devrait également être possible pour les molécules recouvertes de graphène. "
« Nous pourrions draper du graphène sur des molécules biologiques, y compris des molécules dans des environnements au moins partiellement aqueux, parce que vous pouvez avoir de l'eau présente et potentiellement obtenir leur structure 3D, " Heath dit. Il peut même être possible de déterminer la structure de molécules compliquées, comme les complexes protéine-protéine, "qui sont très difficiles à cristalliser, " il dit.
Alors que les données d'une molécule pourraient révéler la structure grossière, les données de 10 révéleront des caractéristiques plus fines - et l'assemblage informatique des données de 1, 000 molécules identiques pourraient révéler tous les coins et recoins atomiques.
Si vous imaginez que le graphène drapé sur une molécule est un peu comme un drap jeté sur un chat endormi sur votre lit, Heath explique, avoir une image de la masse recouverte d'une feuille - dans une orientation - " vous dira que c'est un petit animal, pas une chaussure. Avec 10 photos, vous pouvez dire que c'est un chat et non un lapin. Avec beaucoup plus d'images, vous saurez si c'est un chat duveteux, même si vous ne verrez jamais les rayures tabby."
