Desde o século 19, métodos de microscopia e espectroscopia iluminaram muitos aspectos da química e da física, desde definir espectros atômicos até trazer clareza ao efeito fotoelétrico de Einstein.

Agora, no início do século 21, Imagens químicas geradas por meio de medições espaço-temporais de alta resolução combinadas com espectroscopia estão nos aproximando de um sonho científico:visualizar uma única molécula ou escalas atômicas in situ e em tempo real. Pesquisa molecular em fotovoltaica orgânica, polímeros, automontagem macro / supra-molecular, biomembranas, proteínas, e geralmente a matéria organizada para formar estruturas moleculares em nanoescala, todos poderiam se beneficiar com este ultrarrápido florescente, capacidade de nano-imagem de femtosegundo.

Para Markus Raschke, um professor da Universidade do Colorado em Boulder e atual EMSL Wiley Research Fellow, a evolução em direção a essa inovação científica é impulsionada por seu interesse de longo prazo em imagens ópticas de resolução espacial ultra-alta e espectroscopia. Esse interesse inicialmente o trouxe para a EMSL como um usuário e desde então levou a uma colaboração de quase quatro anos que colocou a EMSL no precipício de fornecer recursos de imagem com sensibilidade próxima de uma única molécula.

O 'ponto de inflexão

Raschke e seus colegas inicialmente usaram os recursos de microscopia do EMSL para demonstrar a nanofocagem plasmônica usando um conceito de antena óptica. O método empregou uma ponta de ouro cônica e excitação de pulso curto para facilitar a imagem de campo próximo livre de fundo por meio de microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento, ou s-SNOM. A combinação também permite a nanofocalização de pulsos de femtossegundos e controle óptico em nanoescala. Ele abriu a porta para a espectroscopia ultrarrápida em nanoescala que poderia representar a matéria em suas escalas de tempo real e comprimento simultaneamente, bem como controlar uma única excitação quântica com aquela fonte de luz única "na ponta de uma agulha, "de acordo com Raschke.

"Queríamos projetar uma fonte de luz em nanoescala, "Raschke explicou." Buscamos caminhos diferentes para chegar a esse objetivo e alcançá-lo em diferentes comprimentos de onda e escalas de tempo. Fabricando essas dicas, que atuam como guias de ondas cônicas especiais, fornecer uma fonte de luz altamente confinada, onde a energia do campo óptico é comprimida em um volume muito pequeno em seu ápice. "

Embora o aspecto da espectroscopia ultrarrápida não fosse o objetivo inicial de Raschke, o sucesso alcançado nesse esforço ofereceu à EMSL uma oportunidade incrível de aprimorar a compreensão da química em superfícies e interfaces - onde ambientais, catalítico, e interações biológicas ocorrem e química acontece - por meio de seu processo de Proposta de Parceiro Científico.

Construindo uma parceria

Parceiros interessados, como Raschke e seus colegas, submeter propostas através do Portal do Usuário EMSL para equipe com a equipe EMSL e melhorar as capacidades existentes ou desenvolver novas. Nesse caso, O financiamento da Lei Americana de Recuperação e Reinvestimento da EMSL facilitou o desenvolvimento do infravermelho, ou IR, microscópio de campo próximo de varredura do tipo espalhamento, que foi inicialmente alojado no laboratório de Raschke enquanto ele e sua equipe construíam, testado, e otimizou o novo recurso. No início deste ano, o microscópio IR s-SNOM personalizado foi movido para sua casa em EMSL, onde Raschke, junto com o cientista EMSL Ian Craig, ainda estão trabalhando para aprimorar seu desenvolvimento e aplicações.

"Na EMSL, há muito tempo nos concentramos na tecnologia que trata da resolução espaço-temporal aprimorada que nos permite olhar para a química em condições do mundo real, "disse David Koppenaal, Diretor de tecnologia da EMSL. "Esta é uma capacidade única que fornecerá informações moleculares de alta resolução em nanoescala. E, complementa vários recursos de microscopia que já temos aqui. "

De acordo com Raschke, O mecanismo de parceria científica da EMSL também é um excelente exemplo de ciência interdisciplinar e colaborativa, o tipo de investimento que motiva cientistas e promove novas fronteiras científicas. Vindo do lado acadêmico, ele sabe como essa interação pode ser valiosa para alcançar inovação tangível.

“Não tínhamos recursos ou infraestrutura para criar um instrumento com essas capacidades maravilhosas em nível acadêmico, "Raschke observou." A parceria com a EMSL juntou o melhor dos dois mundos:a dinâmica e o entusiasmo de uma universidade e os recursos e capacidade da EMSL. Todos nós queremos a melhor ciência. "

Os inovadores

Depois de demonstrar o potencial do s-SNOM para estender a espectroscopia de IV para a escala nanométrica com base em seu conceito de antena óptica, Raschke e seus colegas fizeram parceria com a EMSL para enfrentar o desafio de melhorar sua sensibilidade espectroscópica.

"É bem sabido que você pode ver uma única molécula usando uma força atômica ou um microscópio de varredura por túnel, mas você não obtém detalhes espectroscópicos - e essas técnicas, embora extremamente sensível, são muito lentos para obter a dinâmica interna, "Disse Raschke.

"Lasers oferecem alta resolução espectral, e os lasers pulsados ​​falam sobre a dinâmica da matéria, "ele continuou." Mas, a resolução espacial é limitada para observar os detalhes mais sutis da composição molecular. O que fizemos foi realmente combinar a sensibilidade e a resolução espacial da microscopia de varredura por sonda com a espectroscopia a laser ultrarrápida para obter o melhor dos dois mundos. "

Ao combinar o aprimoramento da ponta e do substrato obtido a partir de seu trabalho inicial com antenas ópticas e espectroscopia Raman molecular e relação sinal-ruído aprimorada da excitação da bomba IR de alta irradiância espectral, Raschke e seus colegas criaram imagens de uma monocamada automontada, ou SAM, feito de ácido 16-mercaptohexadecanoico, um composto usado em automontagem para produzir SAMs hidrofílicos, em uma superfície dourada. Eles foram capazes de obter resolução espacial de 25 nm usando a técnica IR s-SNOM e determinar espectroscopicamente a identidade química das moléculas de superfície. Mais significativamente, eles quebraram um recorde em sensibilidade espectral e contraste, recebendo sinal de apenas ∼100 vibrações moleculares - quase nove ordens de magnitude mais sensível do que a espectroscopia de IV convencional.

"Isso abre caminho para a espectroscopia IR de molécula única, "Raschke disse." Nós mostramos que você pode conseguir um sinal. Estamos olhando para 100 moléculas quando antes eu tinha colegas que não achavam que alguém poderia receber um sinal de 1 milhão de moléculas. "

Como cientista sênior e colaborador em todo este esforço, Raschke continua a publicar artigos enquanto refina o IR s-SNOM, buscando meios para melhorar sua capacidade. Ele também acolhe sua evolução como mais um instrumento exclusivo que a EMSL oferece para amplo uso pela comunidade científica. Seu papel de liderança é aquele que ele realmente espera, e está animado, para continuar nos próximos anos.

"Se você pode ver isso em uma única monocamada molecular, você pode ver em qualquer coisa, realmente, "Raschke disse." Estamos vendo como a luz interage com a matéria no relógio da natureza. Observamos o movimento dos elétrons e átomos em tempo real. Vimos coleções de átomos fazerem isso. Mas, você precisa de muitos para obter um sinal. Agora, estamos chegando onde podemos ver o movimento atômico dos indivíduos.

"Cem moléculas é um número importante. É aqui que os átomos se tornam uma família. Estamos chegando ao conjunto homogêneo, vendo a pulsação da matéria, " ele adicionou.