Ils peuvent être minuscules et invisibles, dit Xiaoji Xu, mais les particules d'aérosol en suspension dans les gaz jouent un rôle dans la formation de nuages ​​et la pollution de l'environnement et peuvent être préjudiciables à la santé humaine.

Particules d'aérosol, qui se trouvent dans la brume, la poussière et les gaz d'échappement des véhicules, mesure en microns. Un micron est un millionième de mètre; un cheveu humain mince mesure environ 30 microns d'épaisseur.

Les particules, dit Xu, font partie des nombreux matériaux dont les propriétés chimiques et mécaniques ne peuvent être pleinement mesurées tant que les scientifiques ne développent pas une meilleure méthode d'étude des matériaux à l'échelle microscopique ainsi qu'à l'échelle nanométrique beaucoup plus petite (1 nm est un milliardième de mètre).

Xu, professeur assistant de chimie, a développé une telle méthode et l'a utilisée pour effectuer une imagerie chimique non invasive d'une variété de matériaux, ainsi que la cartographie mécanique avec une résolution spatiale de 10 nanomètres.

La technique, appelé microscopie infrarouge à force de crête (PFIR), combine la spectroscopie et la microscopie à sonde à balayage. En plus de faire la lumière sur les particules d'aérosols, Xu dit, PFIR aidera les scientifiques à étudier les phénomènes à l'échelle micro et nanométrique dans une variété de matériaux non homogènes.

« Les matériaux dans la nature sont rarement homogènes, " dit Xu. " Les matériaux polymères fonctionnels sont souvent constitués de domaines à l'échelle nanométrique qui ont des tâches spécifiques. Les membranes cellulaires sont incrustées de protéines de taille nanométrique. Il existe des défauts à l'échelle nanométrique des matériaux qui affectent leurs propriétés mécaniques et chimiques.

« La microscopie PFIR représente une avancée fondamentale qui permettra de multiples innovations dans des domaines allant de l'étude des particules d'aérosols à l'investigation de matériaux hétérogènes et biologiques, " dit Xu.

Xu et son groupe ont récemment rapporté leurs résultats dans un article intitulé « Imagerie chimique et mécanique simultanée à l'échelle nanométrique via la microscopie infrarouge à force de pointe ». L'article a été publié dans Avancées scientifiques , un journal de l'Association américaine pour l'avancement des sciences, qui publie également le magazine Science.

L'auteur principal de l'article est Le Wang, un doctorat étudiant à Lehigh. Les coauteurs incluent Xu et Lehigh Ph.D. étudiants Haomin Wang et Devon S. Jakob, ainsi que Martin Wagner de Bruker Nano à Santa Barbara, Californie, et Yong Yan du New Jersey Institute of Technology.

"La microscopie PFIR permet une imagerie chimique fiable, la collecte de spectres large bande, et cartographie mécanique simultanée dans une configuration simple avec une résolution spatiale de ~10 nm, " a écrit le groupe.

"Nous avons étudié trois types de matériaux représentatifs, à savoir, polymères mous, cristaux de pérovskite et nanotubes de nitrure de bore, qui fournissent tous une forte résonance PFIR pour une identification nanochimique sans ambiguïté. De nombreux autres matériaux devraient également être adaptés à la caractérisation multimodale offerte par la microscopie PFIR.

"En résumé, La microscopie PFIR fournira un outil analytique puissant pour les explorations à l'échelle nanométrique dans de vastes disciplines. »

Xu et Le Wang ont également publié un article récent sur l'utilisation du PFIR pour étudier les aérosols. Intitulé "Caractérisation spectroscopique et mécanique à l'échelle nanométrique de particules d'aérosol individuelles à l'aide de la microscopie infrarouge à force de pointe, " l'article est paru dans un numéro "Emerging Investigators" de Communications chimiques , un journal de la Royal Society of Chemistry. Xu a été présenté comme l'un des enquêteurs émergents dans le numéro. L'article a été co-écrit avec des chercheurs de l'Université de Macao et de la City University of Hong Kong, les deux en Chine.

PFIR obtient simultanément des informations chimiques et mécaniques, dit Xu. Il permet aux chercheurs d'analyser un matériau à divers endroits, et de déterminer ses compositions chimiques et propriétés mécaniques à chacun de ces lieux, à l'échelle nanométrique.

« Un matériau n'est pas souvent homogène, " explique Xu. " Ses propriétés mécaniques peuvent varier d'une région à l'autre. Les systèmes biologiques tels que les parois cellulaires sont inhomogènes, ainsi que les matériaux présentant des défauts. Les caractéristiques d'une paroi cellulaire mesurent environ 100 nanomètres, en les plaçant bien à portée de PFIR et de ses capacités."

La PFIR présente plusieurs avantages par rapport à la microscopie optique à champ proche à balayage (SNOM), la méthode actuelle de mesure des propriétés des matériaux, dit Xu. D'abord, Le PFIR permet d'obtenir un spectre infrarouge plus complet et une image plus nette (résolution spatiale de 6 nm) d'une plus grande variété de matériaux que le SNOM. SNOM fonctionne bien avec les matériaux inorganiques, mais n'obtient pas un signal infrarouge aussi fort que la technique Lehigh le fait à partir de matériaux plus mous tels que des polymères ou des matériaux biologiques.

"Notre technique est plus robuste, " dit Xu. " Cela fonctionne mieux avec des matériaux souples, chimique aussi bien que biologique."

Le deuxième avantage du PFIR est qu'il peut effectuer ce que Xu appelle la spectroscopie ponctuelle.

"S'il y a quelque chose d'intéressant chimiquement sur une surface, " Xu dit, "J'ai placé une sonde AFM [microscopie à force atomique] à cet endroit pour mesurer la réponse infrarouge de force maximale.

"Il est très difficile d'obtenir ces spectres avec une microscopie optique à balayage en champ proche de type diffusion de courant. Cela peut être fait, mais cela nécessite des sources lumineuses très coûteuses. Notre méthode utilise un laser infrarouge à bande étroite et coûte environ 100 $, 000. La méthode existante utilise une source lumineuse à large bande et coûte environ 300 $, 000."

Un troisième avantage, dit Xu, est que PFIR obtient une réponse mécanique ainsi que chimique d'un matériau.

"Aucune autre méthode de spectroscopie ne peut le faire, " dit Xu. " Un matériau est-il rigide ou mou ? Est-il inhomogène, est-il mou dans un domaine et rigide dans un autre ? Comment la composition varie-t-elle des zones molles aux zones rigides ? Un matériau peut être relativement rigide et avoir un type de composition chimique dans une zone, et être relativement doux avec un autre type de composition dans un autre domaine.

"Notre méthode permet d'obtenir simultanément des informations chimiques et mécaniques. Elle sera utile pour analyser un matériau à différents endroits et déterminer ses compositions et propriétés mécaniques à chacun de ces endroits, à l'échelle nanométrique."

Un quatrième avantage de PFIR est sa taille, dit Xu.

"Nous utilisons un laser de table pour obtenir des spectres infrarouges. Notre source de lumière est très compacte, par opposition aux tailles beaucoup plus grandes des sources lumineuses concurrentes. Notre laser est chargé de recueillir des informations concernant la composition chimique. Nous obtenons des informations mécaniques de l'AFM. Nous intégrons les deux types de mesures dans un seul appareil pour obtenir simultanément deux canaux d'information."

Bien que PFIR ne fonctionne pas avec des échantillons liquides, dit Xu, il peut mesurer les propriétés d'échantillons biologiques séchés, y compris les parois cellulaires et les agrégats de protéines, obtenir une résolution spatiale de 10 nm sans coloration ni modification génétique.