Cette nanofeuillet peptoïde, produit par Gloria Olivier et Ron Zuckerman au Berkeley Lab, est inférieure à 8 nanomètres d'épaisseur aux points. SINS permet pour la première fois d'acquérir des images spectroscopiques de ces nanofeuillets ultra-minces. Crédit :Berkeley Lab
(Phys.org) — Pendant des années, les scientifiques ont eu une démangeaison qu'ils ne pouvaient pas gratter. Même avec les meilleurs microscopes et spectromètres, il a été difficile d'étudier et d'identifier des molécules à l'échelle dite méso, une région de la matière dont la taille varie de 10 à 1000 nanomètres. Maintenant, avec l'aide de la lumière infrarouge à large bande du synchrotron Advanced Light Source (ALS) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, les chercheurs ont développé une technique d'imagerie à large bande qui regarde à l'intérieur de ce domaine avec une sensibilité et une portée sans précédent.
En combinant la microscopie à force atomique avec la lumière synchrotron infrarouge, des chercheurs du Berkeley Lab et de l'Université du Colorado ont amélioré la résolution spatiale de la spectroscopie infrarouge par des ordres de grandeur, tout en couvrant simultanément toute sa gamme spectroscopique, permettant l'étude de la variété de l'échelle nanométrique, mésoéchelle, et des phénomènes de surface qui étaient auparavant difficiles à étudier.
La nouvelle technique, appelé Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopy ou SINS, permettra une étude approfondie de systèmes moléculaires complexes, y compris les batteries liquides, cellules vivantes, nouveaux matériaux électroniques et poussière d'étoile.
"L'important, c'est que nous obtenons une spectroscopie infrarouge à large bande à une échelle 100 à 1000 fois plus petite, " dit Hans Bechtel, associé principal en ingénierie scientifique au Berkeley Lab. "Ce n'est pas une réalisation progressive. C'est vraiment révolutionnaire."
Dans un Actes de l'Académie nationale des sciences article publié le 6 mai en ligne, intitulé « Imagerie nano-spectroscopique infrarouge ultra large bande, " Bechtel et Michael Martin de Berkeley Lab, un scientifique du Berkeley Lab, et des collègues du groupe de Markus Raschke à l'Université du Colorado à Boulder décrivent SINS. Ils démontrent la capacité du nanoscope à capturer des données spectroscopiques à large bande sur une variété d'échantillons, comprenant un système semi-conducteur-isolant, une coquille de mollusque, protéines, et une nanofeuille peptoïde. Martin dit que ces démonstrations ne font qu'« effleurer la surface » du potentiel de la nouvelle technique.
Configuration expérimentale pour SINS qui inclut la source lumineuse synchrotron, un microscope à force atomique, un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier à balayage rapide, un séparateur de faisceau, miroirs et un détecteur. Crédit :Berkeley Lab
Synchronisation des portées
SINS combine deux technologies infrarouges préexistantes :une technique plus récente appelée microscopie optique à champ proche à balayage infrarouge (IR s-SNOM) et une ancienne veille de laboratoire, connu même des étudiants en chimie des collèges, appelée spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Un savant mélange de ces deux outils, combinée à la lumière infrarouge intense du synchrotron du Berkeley Lab, les chercheurs ont la possibilité d'identifier des amas de molécules d'une taille aussi petite que 20 à 40 nanomètres.
La nouvelle approche surmonte les barrières de longue date avec des techniques de microscopie préexistantes qui impliquent souvent des exigences techniques et de préparation d'échantillons exigeantes. La spectroscopie infrarouge utilise une lumière de faible énergie, est peu invasif, et est applicable dans des conditions ambiantes, ce qui en fait un excellent outil pour les identifications chimiques et moléculaires dans les systèmes aussi bien statiques que vivants et dynamiques. La technique fonctionne en projetant une lumière infrarouge à faible énergie sur un échantillon moléculaire. Les molécules peuvent être considérées comme des systèmes de billes (atomes) et de ressorts (liaisons entre atomes) qui vibrent avec des ondulations caractéristiques; ils absorbent le rayonnement infrarouge à des fréquences qui correspondent à leurs modes vibratoires naturels. La sortie de cette absorption est un spectre, souvent appelée empreinte digitale, qui montre des pics et des creux distinctifs, en fonction des liaisons et des atomes présents dans l'échantillon.
Un balayage spectral d'une coquille de moule bleue, qui passe de la calcite à l'aragonite, illustre les capacités de résolution spatiale et de portée spectroscopique de la technique SINS. L'image montre deux modes vibrationnels acquis simultanément à travers la région de transition. Crédit :Berkeley Lab
Mais la spectroscopie infrarouge a aussi ses défis. Bien que cela fonctionne bien pour les échantillons en vrac, la spectroscopie infrarouge traditionnelle ne peut pas résoudre la composition moléculaire en dessous d'environ 2000 nanomètres. L'obstacle majeur est la limite de diffraction de la lumière, qui est la barrière fondamentale qui détermine la plus petite tache focale de lumière et est particulièrement gênante pour les grandes longueurs d'onde de la lumière infrarouge. Dans les années récentes, bien que, la limite de diffraction a été surmontée par une technique appelée microscopie optique en champ proche à balayage par diffusion, ou s-SNOM, qui consiste à projeter de la lumière sur une pointe métallique. La pointe agit comme une antenne pour la lumière, le dirigeant vers une petite région à son sommet de quelques dizaines de nanomètres de large.
Cette astuce est ce qui est utilisé dans IR s-SNOM, où la lumière infrarouge est couplée à une pointe métallique. Le défi avec IR s-SNOM, cependant, est que les chercheurs se sont appuyés sur la lumière infrarouge produite par les lasers. Les lasers émettent un grand nombre de photons nécessaires à la technique, mais parce qu'ils fonctionnent dans une bande de longueur d'onde étroite, ils ne peuvent sonder qu'une gamme étroite de vibrations moléculaires. En d'autres termes, la lumière laser ne peut tout simplement pas vous donner la flexibilité d'explorer un spectre de molécules mixtes.
Bechtel, L'équipe de Martin et Raschke a vu l'opportunité d'utiliser l'ALS de Berkeley Lab pour surmonter la limitation du laser. Le synchrotron du laboratoire produit une lumière infrarouge à large bande avec un nombre élevé de photons qui peut être focalisé jusqu'à la limite de diffraction. Les chercheurs ont couplé la lumière synchrotron à une pointe métallique avec un sommet d'environ 20 nanomètres, focaliser le faisceau infrarouge sur les échantillons. Le spectre résultant est analysé avec un instrument FTIR modifié.
"C'est en fait l'un des très rares exemples où la lumière synchrotron a été couplée à la microscopie à sonde à balayage, " dit Raschke. " De plus, la mise en œuvre de la technique au synchrotron fait sortir la nano-spectroscopie chimique et l'imagerie du laboratoire de quelques experts en science laser et la met à la disposition d'une communauté scientifique plus large dans une installation d'utilisateurs. »
Des mollusques aux roches lunaires
L'équipe a démontré la technique en confirmant la signature spectroscopique du dioxyde de silicium sur le silicium et en illustrant la transition chimique nette qui se produit dans les coquilles de la moule bleue ( M. edulis ). En outre, les chercheurs ont examiné des protéines et un nanofeuillet peptoïde, un machiné, film ultra-mince de protéines avec des applications médicales et pharmacologiques.
Martin est enthousiasmé par le potentiel de SINS, qui est disponible pour les chercheurs de n'importe quelle institution à utiliser. En particulier, il s'intéresse à un examen plus approfondi des systèmes de batterie, avec l'espoir que la compréhension de la chimie des batteries à l'échelle méso pourrait fournir un aperçu de meilleures performances. Plus loin, il s'attend à ce que SINS soit également utile pour une gamme de biochimie. "Cela fait allusion à un rêve que j'ai eu dans ma tête, regarder la surface d'une cellule, à l'intérieur de la membrane bicouche, les chaînes, et récepteurs, " dit Martin. " Si nous pouvions mettre un indice SINS sur une cellule vivante, nous pourrions regarder la biochimie se produire en temps réel."
Bechtel, pour sa part, est intrigué par la possibilité d'utiliser le SINS pour l'étude des roches lunaires, météorites et poussières d'étoiles. Ces matériaux extraterrestres ont une diversité moléculaire difficile à résoudre à l'échelle nanométrique, notamment de manière non destructive pour ces rares échantillons. Une meilleure compréhension de la composition des roches lunaires et de la poussière de l'espace pourrait fournir des indices sur la formation des planètes et du système solaire.
Raschke utilise cette technique pour étudier les processus qui limitent les performances des cellules solaires organiques. Il cherche à améliorer encore la flexibilité de la technique afin qu'elle puisse être appliquée dans des conditions atmosphériques et à basse température variables et contrôlées. Entre autres ajustements, il prévoit d'augmenter la sensibilité de la technique dans le but ultime d'effectuer une spectroscopie chimique monomoléculaire.
