p A matéria mole abrange uma ampla faixa de materiais, incluindo líquidos, polímeros, géis, espuma e - o mais importante - biomoléculas. No cerne de materiais macios, governando suas propriedades e capacidades gerais, são as interações de componentes de tamanho nano. Observar a dinâmica por trás dessas interações é fundamental para a compreensão dos principais processos biológicos, como cristalização e metabolismo de proteínas, e poderia ajudar a acelerar o desenvolvimento de novas tecnologias importantes, como fotossíntese artificial ou células fotovoltaicas de alta eficiência. Observar essas dinâmicas com resolução suficiente tem sido um grande desafio, mas este desafio agora está sendo enfrentado com uma nova técnica de imagem não invasiva em nanoescala que atende pela sigla de CLAIRE. p CLAIRE significa "imagem ativada por catodoluminescência por transferência de energia ressonante." Inventado por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, CLAIRE estende a incrível resolução da microscopia eletrônica para a imagem dinâmica de matéria mole.

p "A microscopia eletrônica tradicional danifica materiais moles e, portanto, tem sido usada principalmente para fornecer informações topográficas ou composicionais sobre sólidos inorgânicos robustos ou seções fixas de espécimes biológicos, "diz a química Naomi Ginsberg, quem lidera o desenvolvimento da CLAIRE. "CLAIRE nos permite converter a microscopia eletrônica em uma nova modalidade de imagem não invasiva para estudar materiais macios e fornecer informações espectralmente específicas sobre eles em nanoescala."

p Ginsberg tem nomeações na Divisão de Biociências Físicas do Laboratório Berkeley e na Divisão de Ciências de Materiais, bem como os departamentos de química e física da UC Berkeley. Ela também é membro do Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) em Berkeley. Ela e seu grupo de pesquisa demonstraram recentemente as capacidades de imagem da CLAIRE, aplicando a técnica a nanoestruturas de alumínio e filmes de polímero que não poderiam ter sido capturados diretamente com microscopia eletrônica.

p "Quais defeitos microscópicos em sólidos moleculares dão origem a suas propriedades ópticas e eletrônicas funcionais? Por qual processo potencialmente controlável esses sólidos se formam a partir de seus componentes microscópicos individuais, inicialmente na fase de solução? As respostas exigem observar a dinâmica das excitações eletrônicas ou das próprias moléculas à medida que exploram paisagens espacialmente heterogêneas em sistemas de fase condensada, "Ginsberg diz." Em nossa demonstração, obtivemos imagens ópticas de nanoestruturas de alumínio com resolução de 46 nanômetros, em seguida, validou a não invasividade de CLAIRE por imagem de um filme de polímero conjugado. A alta resolução, a velocidade e a não invasividade que demonstramos com CLAIRE nos posicionam para transformar nossa compreensão atual das principais interações biomoleculares. "

p CLAIRE funciona essencialmente combinando os melhores atributos da microscopia óptica e eletrônica de varredura em uma única plataforma de imagem. Os microscópios eletrônicos de varredura usam feixes de elétrons em vez de luz para iluminação e ampliação. Com comprimentos de onda muito mais curtos do que os fótons de luz visível, feixes de elétrons podem ser usados ​​para observar objetos centenas de vezes menores do que aqueles que podem ser resolvidos com um microscópio óptico. Contudo, esses feixes de elétrons destroem a maioria das formas de matéria mole e são incapazes de excitação molecular espectralmente específica.

p Ginsberg e seus colegas contornam esses problemas empregando um processo chamado "catodoluminescência, "em que um filme cintilante ultrafino, cerca de 20 nanômetros de espessura, composto de perovskita de ítrio e alumínio dopado com cério, é inserido entre o feixe de elétrons e a amostra. Quando o filme cintilante é excitado por um feixe de elétrons de baixa energia (cerca de 1 KeV), ele emite energia que é transferida para a amostra, fazendo com que a amostra irradie. Esta luminescência é registrada e correlacionada com a posição do feixe de elétrons para formar uma imagem que não seja restringida pelo limite de difração óptica.

p Desenvolver o filme cintilante e integrá-lo a um dispositivo de imagem de microchip foi uma tarefa enorme, Ginsberg diz, e ela credita o "talento e dedicação" de seu grupo de pesquisa para o sucesso. Ela também dá muito crédito à equipe e às capacidades da Fundição Molecular, um DOE Office of Science User Facility, onde foi realizada a demonstração de imagens CLAIRE.

p "A Molecular Foundry realmente permitiu que as imagens CLAIRE ganhassem vida, "ela diz." Colaboramos com os cientistas da equipe de lá para projetar e instalar um aparelho de coleta de luz de alta eficiência em um dos microscópios eletrônicos de varredura da Foundry e seus conselhos e informações foram fantásticos. O fato de podermos trabalhar com cientistas da Foundry para modificar a instrumentação e aprimorar seus recursos não apenas para nossos próprios experimentos, mas também para outros usuários, é algo único. "

p Embora ainda haja muito trabalho a ser feito para tornar CLAIRE amplamente acessível, Ginsberg e seu grupo estão avançando com mais refinamentos para várias aplicações específicas.

p "Estamos interessados ​​em obter imagens de materiais funcionais macios de forma não invasiva, como as camadas ativas de células solares e dispositivos emissores de luz, "Ela diz." É especialmente verdade em orgânicos e híbridos orgânicos / inorgânicos que a morfologia desses materiais é complexa e requer resolução em nanoescala para correlacionar características morfológicas às funções. "

p Ginsberg e seu grupo também estão trabalhando na criação de células líquidas para observar as interações biomoleculares sob condições fisiológicas. Uma vez que os microscópios eletrônicos só podem operar em alto vácuo, à medida que as moléculas do ar interrompem o feixe de elétrons, e uma vez que os líquidos evaporam em alto vácuo, as amostras aquosas devem ser liofilizadas ou seladas hermeticamente em células especiais.

p "Precisamos de células líquidas para que CLAIRE estude a organização dinâmica das proteínas coletoras de luz em membranas fotossintéticas, "Ginsberg diz." Devemos também ser capazes de realizar outros estudos em biofísica de membrana para ver como as moléculas se difundem em ambientes complexos, e gostaríamos de poder estudar o reconhecimento molecular no nível de uma única molécula. "

p Além disso, Ginsberg e seu grupo usarão o CLAIRE para estudar a dinâmica de sistemas em nanoescala para materiais moles em geral.

p "Gostaríamos muito de poder observar os processos de cristalização ou assistir um material feito de componentes em nanoescala recozer ou passar por uma transição de fase, "Ela diz." Nós também adoraríamos poder observar a dupla camada elétrica em uma superfície carregada conforme ela evolui, já que esse fenômeno é crucial para a ciência da bateria. "

p Um artigo descrevendo o trabalho mais recente sobre CLAIRE foi publicado na revista. Nano Letras . O artigo é intitulado "Nanoimagem ativada por catodoluminescência:Microscopia ótica de campo próximo não invasiva em um microscópio eletrônico". Ginsberg é o autor correspondente. Outros autores são Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz e Darrell Schlom.