Depuis le 19ème siècle, les méthodes de microscopie et de spectroscopie ont éclairé de nombreux aspects de la chimie et de la physique, de la définition des spectres atomiques à la clarté de l'effet photoélectrique d'Einstein.

Maintenant, au début du XXIe siècle, les images chimiques générées par des mesures spatio-temporelles à haute résolution combinées à la spectroscopie nous rapprochent d'un rêve scientifique :visualiser in situ et en temps réel des échelles moléculaires ou atomiques. Recherche moléculaire en photovoltaïque organique, polymères, auto-assemblage macro/supra-moléculaire, biomembranes, protéines, et généralement la matière organisée pour former des structures moléculaires à l'échelle nanométrique, toutes pourraient bénéficier de cet ultrarapide en plein essor, capacité de nano-imagerie femtoseconde.

Pour Markus Raschke, professeur à l'Université du Colorado à Boulder et actuel chercheur EMSL Wiley, l'évolution vers la réalisation de cette innovation scientifique est motivée par son intérêt à long terme pour l'imagerie optique et la spectroscopie à ultra haute résolution spatiale. Cet intérêt l'a d'abord amené à EMSL en tant qu'utilisateur et a depuis conduit à une collaboration de près de quatre ans qui a permis à EMSL de fournir des capacités d'imagerie avec une sensibilité proche d'une molécule unique.

Le point de bascule

Raschke et ses collègues ont d'abord utilisé les capacités de microscopie de l'EMSL pour démontrer la nanofocalisation plasmonique à l'aide d'un concept d'antenne optique. La méthode a utilisé une pointe en or conique et une excitation à impulsions courtes pour faciliter l'imagerie en champ proche sans arrière-plan via une microscopie optique à balayage de type diffusion, ou s-SNOM. La combinaison permet également la nanofocalisation des impulsions femtosecondes et le contrôle optique à l'échelle nanométrique. Il a ouvert la porte à la spectroscopie ultrarapide à l'échelle nanométrique qui pourrait représenter la matière simultanément à ses échelles de temps réel et de longueur, ainsi que pour contrôler une seule excitation quantique avec cette source de lumière unique "au bout d'une aiguille, " selon Raschke.

"Nous voulions concevoir une source lumineuse à l'échelle nanométrique, " Raschke a expliqué. " Nous avons cherché différentes voies pour atteindre cet objectif et y parvenir pour différentes longueurs d'onde et échelles de temps. Fabriquer ces conseils, qui agissent comme des guides d'ondes coniques spéciaux, prévoir une source lumineuse très confinée, où l'énergie du champ optique est comprimée en un très, très petit volume à son sommet."

Alors que l'aspect spectroscopie ultrarapide n'était pas l'objectif initial de Raschke, le succès obtenu dans cet effort a offert à EMSL une opportunité incroyable d'améliorer la compréhension de la chimie sur les surfaces et les interfaces - où l'environnement, catalytique, et les interactions biologiques se produisent et la chimie se produit - par le biais de son processus de proposition de partenaire scientifique.

Construire un partenariat

Partenaires intéressés, comme Raschke et ses collègues, soumettre des propositions via le portail utilisateur EMSL pour faire équipe avec le personnel EMSL et améliorer les capacités existantes ou en développer de nouvelles. Dans ce cas, Le financement de l'American Recovery and Reinvestment Act de l'EMSL a facilité le développement de l'infrarouge, ou RI, microscope de champ proche à balayage de type diffusion, qui était initialement hébergé dans le laboratoire de Raschke pendant que lui et son équipe construisaient, testé, et optimisé la nouvelle capacité. Plus tôt cette année, le microscope IR s-SNOM personnalisé a été emménagé dans ses locaux à l'EMSL, où Raschke, avec le scientifique de l'EMSL Ian Craig, sont toujours au travail pour perfectionner son développement et ses applications.

« À l'EMSL, nous nous concentrons depuis longtemps sur une technologie offrant une résolution spatio-temporelle améliorée qui nous permet d'examiner la chimie dans des conditions réelles, " a déclaré David Koppenaal, Directeur technique de l'EMSL. "Il s'agit d'une capacité unique qui fournira des informations moléculaires à haute résolution à l'échelle nanométrique. Et, il complète plusieurs capacités de microscopie que nous avons déjà ici."

Selon Raschke, Le dispositif de partenariat scientifique de l'EMSL est également un excellent exemple de science interdisciplinaire et collaborative, le type d'investissement qui motive les scientifiques et promeut de nouvelles frontières scientifiques. Venant du côté académique, il sait à quel point cette interaction peut être précieuse pour parvenir à une innovation tangible.

"Nous n'avions pas les ressources ou l'infrastructure pour créer un instrument avec ces merveilleuses capacités au niveau académique, " a noté Raschke. " Le partenariat avec l'EMSL a réuni le meilleur des deux mondes :la dynamique et l'enthousiasme d'une université et les ressources et les capacités de l'EMSL. Nous voulons tous la meilleure science."

Les innovateurs

Après avoir démontré le potentiel de s-SNOM pour étendre la spectroscopie IR à l'échelle nanométrique sur la base de leur concept d'antenne optique, Raschke et ses collègues se sont associés à l'EMSL pour relever le défi d'améliorer sa sensibilité spectroscopique.

"Il est bien connu que vous pouvez voir une seule molécule à l'aide d'un microscope à force atomique ou à effet tunnel, mais vous n'obtenez pas de détails spectroscopiques - et ces techniques, bien qu'exquisement sensible, sont trop lents pour obtenir la dynamique interne, " a déclaré Raschke.

"Les lasers vous offrent une haute résolution spectrale, et les lasers pulsés vous renseignent sur la dynamique de la matière, " continua-t-il. " Mais, la résolution spatiale est limitée pour regarder les détails les plus fins de la composition moléculaire. Ce que nous avons fait, c'est vraiment combiner la sensibilité et la résolution spatiale de la microscopie à sonde à balayage avec la spectroscopie laser ultrarapide pour obtenir le meilleur des deux mondes."

En combinant à la fois l'amélioration de la pointe et du substrat tirée de leurs travaux initiaux avec des antennes optiques et la spectroscopie Raman moléculaire et un rapport signal/bruit amélioré grâce à l'excitation de la pompe IR à haute irradiance spectrale, Raschke et ses collègues ont imagé une monocouche auto-assemblée, ou SAM, à base d'acide 16-mercaptohexadécanoïque, un composé utilisé en auto-assemblage pour produire des SAM hydrophiles, sur une surface dorée. Ils ont pu obtenir une résolution spatiale de 25 nm en utilisant leur technique IR s-SNOM et ont pu déterminer par spectroscopie l'identité chimique des molécules de surface. Plus important encore, ils ont battu un record de sensibilité spectrale et de contraste, obtenir un signal à partir de seulement ∼100 vibrations moléculaires - près de neuf ordres de grandeur plus sensibles que la spectroscopie IR conventionnelle.

« Cela ouvre la voie à la spectroscopie IR à molécule unique, " a déclaré Raschke. "Nous avons montré que vous pouvez obtenir un signal. Nous examinons 100 molécules alors qu'avant, j'avais des collègues qui ne pensaient même pas qu'on pouvait obtenir un signal à partir d'un million de molécules."

En tant que scientifique principal et collaborateur tout au long de cet effort, Raschke continue de publier des articles alors qu'il affine l'IR s-SNOM, chercher des moyens d'améliorer sa capacité. Il se félicite également de son évolution en tant qu'autre instrument unique que l'EMSL offre pour une large utilisation à la communauté scientifique. Son rôle de leader est celui qu'il attend pleinement, et est excité, de continuer pour les années à venir.

"Si vous pouvez le voir sur une seule monocouche moléculaire, vous pouvez le voir sur n'importe quoi, vraiment, " a déclaré Raschke. "Nous voyons comment la lumière interagit avec la matière sur l'horloge de la nature. Nous regardons le mouvement des électrons et des atomes en temps réel. Nous avons vu des collections d'atomes faire cela. Mais, il en faut beaucoup pour avoir un signal. Maintenant, nous arrivons là où nous pouvons voir le mouvement atomique des individus.

« Cent molécules, c'est un nombre important. C'est là que les atomes deviennent une famille. voir battre le cœur de la matière, " il ajouta.