Une nouvelle technique de microscopie développée à l'Université de l'Illinois à Chicago permet aux chercheurs de visualiser pour la première fois des liquides à l'échelle nanométrique (environ 10 fois plus de résolution qu'avec la microscopie électronique à transmission traditionnelle).

En piégeant d'infimes quantités de liquide entre deux couches bidimensionnelles de nitrure de bore, l'échantillon liquide peut être imagé à une résolution extrêmement élevée à l'aide d'un microscope électronique à transmission traditionnel et de techniques de spectroscopie. Cette approche pourrait fournir des informations sur l'état vibrationnel de molécules individuelles.

La nouvelle technique peut être utilisée pour suivre des traceurs de taille nanométrique utilisés dans la recherche biologique, et de visualiser les processus aux interfaces liquide-solide à une résolution sans précédent. À l'aide de leur porte-échantillon spécialisé, ou cellule liquide au nitrure de bore, les chercheurs décrivent les propriétés uniques de l'eau et de l'eau lourde à l'échelle nanométrique. Ils rapportent leurs découvertes dans le journal Matériaux avancés .

« Bien qu'il puisse sembler étrange de se concentrer sur quelque chose d'aussi bien compris que l'eau, il y a encore des choses qu'on ne comprend pas quand c'est confiné à l'échelle nanométrique, " dit Robert Klie, Professeur de physique à l'UIC et auteur principal de l'article. "Tant d'applications dans l'énergie, catalyse, la chimie et la biologie dépendent des interactions nanométriques dans l'eau, que nous n'avons pas pu visualiser en utilisant les techniques de mesure actuellement disponibles."

« Grâce à notre cellule spécialisée, nous pouvons regarder le comportement vibrationnel de l'eau et commencer à explorer comment elle agit en quantités extrêmement infimes confinées dans les couches de nitrure de bore, " a déclaré Jacob Jokisaari auteur correspondant de l'article et chercheur post-doctoral au département de physique de l'UIC.

D'abord, les chercheurs ont dû résoudre le problème de l'isolement d'infimes quantités de liquide en vue de la microscopie électronique à transmission à balayage, qui utilise un faisceau focalisé d'électrons pour imager des échantillons. Normalement, les échantillons doivent être congelés ou enrobés d'époxy puis tranchés ultra-fins avant d'être placés sous le faisceau d'électrons, où l'utilisateur n'a que quelques secondes pour prendre des photos de l'échantillon avant qu'il ne se vaporise.

« Nous voulions examiner de minuscules quantités de liquide, et nous nous sommes tournés vers les nanomatériaux pour encapsuler et supporter le liquide sans affecter les mesures, " a déclaré Klie. "Parce que les matériaux bidimensionnels ne sont constitués que d'une seule couche d'atomes, ils influencent à peine le faisceau d'électrons utilisé pour imager le liquide, pourtant, ils sont assez solides pour contenir la bulle de liquide à l'intérieur du vide du microscope. »

Après avoir testé plusieurs matériaux bidimensionnels, les chercheurs ont finalement opté pour des nanocouches de nitrure de bore. Ce matériau a pu contenir les molécules d'eau et est transparent au rayonnement infrarouge généré par les molécules d'eau en vibration. Mais les progrès étaient lents.

"Ce sont des morceaux de matériau extrêmement minuscules et fragiles - apprendre à les tenir et à les manipuler a pris des mois, " dit Klie.

Il a fallu près de quatre ans à l'équipe pour pouvoir prendre l'eau en sandwich, et sa cousine, eau lourde, entre les couches de nitrure de bore et le mettre en place dans le microscope électronique à transmission universitaire.

"Nous pourrions descendre à environ 350 milli-électrons-volts de résolution d'énergie avec notre microscope, mais nous savions que nous avions besoin de meilleures résolutions pour mesurer les propriétés vibrationnelles de l'eau. Nous avions besoin d'accéder à un meilleur microscope, " a déclaré Klie. Un électron-volt est une unité de mesure qui peut être utilisée pour décrire l'énergie des particules vibrantes.

L'équipe a emmené sa cellule de nitrure de bore au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie dans le Tennessee, où les chercheurs du Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science, avoir accès à un microscope électronique à balayage à transmission avec l'une des meilleures résolutions énergétiques au monde. En utilisant ce microscope, Klie et ses collègues ont pu voir que lorsqu'ils sont isolés en petites quantités, l'eau se comporte différemment.

"Nous avons vu qu'il y avait un changement dans sa fréquence vibratoire lorsqu'il était confiné en petites quantités dans notre cellule, " a déclaré Jordan Hachtel, chercheur post-doctoral au Oak Ridge National Laboratory et auteur de l'article.

Normalement, l'eau en grande quantité vibre à 420 milli-électrons volts, mais Klie a vu que l'eau emprisonnée dans sa cellule vibrait à 406 milli-électrons-volts.

Les chercheurs ont utilisé le microscope électronique à haute résolution d'énergie pour visualiser également l'eau lourde, où au lieu de deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène, les hydrogènes sont remplacés par du deutérium, qui est plus lourd que l'hydrogène. L'eau lourde est souvent utilisée pour marquer les molécules d'intérêt dans les expériences. Bien qu'il ait été possible d'identifier l'emplacement de l'eau lourde dans les cellules, il n'a jamais été visualisé auparavant avec le niveau de résolution offert par la nouvelle technique de Klie.

Des travaux antérieurs portent sur l'électrochimie de l'eau au niveau macro ou micrométrique, où les propriétés sont moyennées sur un grand volume. Mais les réactions électrochimiques apparaissent très différemment lorsqu'elles sont examinées à une échelle suffisamment petite.

« Mesurer comment l'eau se lie et interagit avec d'autres substances, comme à une interface où l'eau touche autre chose, ou des interactions qui ont lieu dans l'eau telles que la corrosion des métaux, a été impossible à l'échelle nanométrique jusqu'à présent, " dit Jokisaari. " Ce travail ouvre la voie à l'examen de l'électrochimie et du niveau atomique, où la théorie basée sur la modélisation informatique a devancé les techniques expérimentales."

"Cette nouvelle technique de microscopie électronique nous permet de voir des processus physiques et chimiques se produire dans un environnement liquide à l'échelle nanométrique - des volumes bien plus petits que ce qui peut être mesuré par d'autres méthodes actuellement disponibles, " dit Klie. " A si petite échelle, le comportement de quelque chose que nous considérons comme basique, comme l'eau, change en tant que liaisons atomiques individuelles, les champs électriques locaux et la proximité des surfaces commencent à affecter son comportement normal."