p (Phys.org) —por anos, os cientistas têm uma coceira que não conseguem coçar. Mesmo com os melhores microscópios e espectrômetros, tem sido difícil estudar e identificar moléculas na chamada mesoescala, uma região da matéria que varia de 10 a 1000 nanômetros de tamanho. Agora, com a ajuda de luz infravermelha de banda larga do síncrotron Advanced Light Source (ALS) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), pesquisadores desenvolveram uma técnica de imagem de banda larga que olha dentro desse reino com sensibilidade e alcance sem precedentes. p Ao combinar microscopia de força atômica com luz síncrotron infravermelha, pesquisadores do Berkeley Lab e da Universidade do Colorado melhoraram a resolução espacial da espectroscopia infravermelha em ordens de magnitude, ao mesmo tempo que cobre toda a sua gama espectroscópica, permitindo a investigação de uma variedade de nanoescala, mesoescala, e fenômenos de superfície que antes eram difíceis de estudar.

p A nova técnica, chamado de nanoespectroscopia de infravermelho síncrotron ou SINS, permitirá um estudo aprofundado de sistemas moleculares complexos, incluindo baterias líquidas, células vivas, novos materiais eletrônicos e poeira estelar.

p "O importante é que estamos obtendo espectroscopia infravermelha de banda larga completa em escala 100 a 1000 vezes menor, "diz Hans Bechtel, principal associado de engenharia científica do Berkeley Lab. "Esta não é uma conquista incremental. É realmente revolucionária."

p Em um Proceedings of the National Academy of Sciences artigo publicado em 6 de maio online, intitulado "Ultra-broadband infravermelho nano-espectroscopic imaging, "Bechtel e Michael Martin do Berkeley Lab, um cientista da equipe do Berkeley Lab, e colegas do grupo de Markus Raschke na Universidade do Colorado em Boulder descrevem o SINS. Eles demonstram a capacidade do nanoscópio de capturar dados espectroscópicos de banda larga em uma variedade de amostras, incluindo um sistema semicondutor-isolante, uma concha de molusco, proteínas, e uma nanofolha peptoide. Martin diz que essas demonstrações apenas "arranham a superfície" do potencial da nova técnica.

p Sincronizando escopos

p O SINS combina duas tecnologias de infravermelho pré-existentes:uma técnica mais recente chamada microscopia óptica de campo próximo de varredura por espalhamento infravermelho (IR s-SNOM) e um antigo laboratório em espera, conhecido até mesmo por estudantes universitários de química, denominada Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR). Uma combinação inteligente dessas duas ferramentas, combinado com a intensa luz infravermelha do síncrotron no Berkeley Lab dá aos pesquisadores a capacidade de identificar grupos de moléculas com tamanhos tão pequenos quanto 20 a 40 nanômetros.

p A nova abordagem supera barreiras de longa data com técnicas de microscopia pré-existentes que frequentemente envolvem requisitos técnicos e de preparação de amostra exigentes. A espectroscopia de infravermelho usa luz de baixa energia, é minimamente invasivo, e é aplicável em condições ambientais, tornando-o uma excelente ferramenta para identificações químicas e moleculares em sistemas estáticos e vivos e dinâmicos. A técnica funciona brilhando luz infravermelha de baixa energia em uma amostra molecular. As moléculas podem ser pensadas como sistemas de bolas (átomos) e molas (ligações entre átomos) que vibram com movimentos característicos; eles absorvem radiação infravermelha em frequências que correspondem aos seus modos naturais de vibração. A saída dessa absorção é um espectro, frequentemente chamada de impressão digital, que mostra picos e quedas distintos, dependendo das ligações e átomos presentes na amostra.

p Mas a espectroscopia infravermelha também tem seus desafios. Embora funcione bem para amostras em massa, a espectroscopia infravermelha tradicional não consegue resolver a composição molecular abaixo de cerca de 2.000 nanômetros. O maior obstáculo é o limite de difração da luz, que é a barreira fundamental que determina o menor ponto de foco de luz e é particularmente problemática para grandes comprimentos de onda de luz infravermelha. Nos últimos anos, no entanto, o limite de difração foi superado por uma técnica chamada microscopia óptica de campo próximo de varredura por espalhamento, ou s-SNOM, que envolve brilhar a luz em uma ponta metálica. A ponta atua como uma antena para a luz, direcionando-o para uma região minúscula em seu ápice com apenas dezenas de nanômetros de largura.

p Este truque é o que é usado no IR s-SNOM, onde a luz infravermelha é acoplada a uma ponta metálica. O desafio com IR s-SNOM, Contudo, é que os pesquisadores têm confiado na luz infravermelha produzida por lasers. Os lasers emitem um grande número de fótons necessários para a técnica, mas porque eles operam em uma banda estreita de comprimento de onda, eles só podem sondar uma faixa estreita de vibrações moleculares. Em outras palavras, a luz laser simplesmente não oferece flexibilidade para explorar um espectro de moléculas misturadas.

p Bechtel, A equipe de Martin e Raschke viu a oportunidade de usar o ALS do Berkeley Lab para superar a limitação do laser. O síncrotron do laboratório produz luz infravermelha de banda larga com alta contagem de fótons que pode ser focada até o limite de difração. Os pesquisadores acoplaram a luz síncrotron a uma ponta metálica com um ápice de cerca de 20 nanômetros, focalizando o feixe infravermelho nas amostras. O espectro resultante é analisado com um instrumento FTIR modificado.

p "Este é realmente um dos poucos exemplos em que a luz síncrotron foi acoplada à microscopia de varredura por sonda, "diz Raschke." Além disso, a implementação da técnica no síncrotron traz nanoespectroscopia química e imagens do laboratório de alguns especialistas em ciência do laser e as disponibiliza para uma comunidade científica mais ampla em uma instalação do usuário. "

p De moluscos a rochas lunares

p A equipe demonstrou a técnica confirmando a assinatura espectroscópica do dióxido de silício no silício e ilustrando a transição química acentuada que ocorre dentro das cascas do mexilhão azul ( M. edulis ) Adicionalmente, os pesquisadores analisaram as proteínas e uma nanofolha peptoide, um projetado, filme ultrafino de proteínas com aplicações médicas e farmacológicas.

p Martin está animado com o potencial do SINS, que está disponível para uso de pesquisadores de qualquer instituição. Em particular, ele está interessado em uma análise mais detalhada dos sistemas de bateria, com a esperança de que a compreensão da química da bateria na mesoescala possa fornecer informações sobre um melhor desempenho. Mais longe, ele espera que SINS seja útil também para uma variedade de bioquímica. "Isso indica um sonho que tive em mente, olhar para a superfície de uma célula, dentro da membrana de duas camadas, os canais, e receptores, "diz Martin." Se pudéssemos colocar uma ponta de PECADOS em uma célula viva, poderíamos ver a bioquímica acontecer em tempo real. "

p Bechtel, para a parte dele, está intrigado com a possibilidade de usar SINS para o estudo de rochas lunares, meteoritos e poeira estelar. Esses materiais extraterrestres têm uma diversidade molecular que é difícil de resolver em nanoescala, particularmente de uma maneira não destrutiva para essas amostras raras. Uma melhor compreensão da composição das rochas lunares e da poeira do espaço pode fornecer pistas para a formação dos planetas e do sistema solar.

p Raschke está usando a técnica para estudar os processos que limitam o desempenho das células solares orgânicas. Ele está procurando melhorar ainda mais a flexibilidade da técnica, de modo que ela possa ser aplicada em condições atmosféricas e de baixa temperatura variáveis ​​e controladas. Entre outros ajustes, ele planeja aumentar a sensibilidade da técnica com o objetivo final de realizar espectroscopia química de uma única molécula.