p A imagem em nanoescala em líquidos é crítica para a compreensão dos principais processos eletroquímicos e do projeto de baterias recarregáveis. Uma nova abordagem usando uma combinação de microondas, uma sonda de varredura e membranas ultrafinas evitam os danos de radiação causados por métodos de imagem que empregam raios-X e feixes de elétrons altamente energéticos. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA. Imagem de Alexander Tselev e Andrei Kolmakov
p Quando muita energia atinge um átomo, pode eliminar elétrons, tornando o átomo extremamente reativo quimicamente e iniciando uma destruição posterior. É por isso que a radiação é tão perigosa. É também por isso que as técnicas de imagem de alta resolução que usam feixes de elétrons e raios-X energéticos podem alterar, mesmo obliterar, as amostras que exploram. Por exemplo, monitorar a dinâmica da bateria usando microscopia eletrônica pode introduzir artefatos que interferem nos processos eletroquímicos. Outro caso em questão:o emprego da espectroscopia de raios-X para ver o interior de uma célula viva aniquila essa célula. p Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia demonstraram uma maneira não destrutiva de observar objetos e processos em nanoescala em condições que simulam seus ambientes operacionais normais. Eles começam com uma "câmara ambiental" para encapsular uma amostra em um líquido. A câmara possui uma janela feita de uma membrana ultrafina (8 a 50 bilionésimos de um metro, ou nanômetros, Grosso). A ponta de um microscópio de sonda de varredura se move através da membrana, injetar microondas na câmara. O dispositivo registra onde o sinal de microondas foi transmitido versus impedido e cria um mapa de alta resolução da amostra.
p Como as microondas injetadas são 100 milhões de vezes mais fracas do que as de um forno de microondas doméstico, e eles oscilam em direções opostas vários bilhões de vezes a cada segundo, de modo que as reações químicas potencialmente destrutivas não podem ocorrer, a técnica ORNL-NIST produz apenas calor insignificante e não destrói a amostra. Os cientistas relatam sua nova abordagem de combinar membranas ultrafinas com micro-ondas e uma sonda de varredura - chamada microscopia de impedância de micro-ondas de varredura, ou sMIM - no jornal
ACS Nano .
p "Nossa imagem não é destrutiva e está livre dos danos frequentemente causados às amostras, tais células vivas ou processos eletroquímicos, por imagem com raios-X ou feixes de elétrons, "disse o primeiro autor Alexander Tselev. Com os colegas Anton Ievlev e Sergei Kalinin no Center for Nanophase Materials Sciences, um DOE Office of Science User Facility em ORNL, ele executou imagens e análises de micro-ondas de alta resolução. "Sua resolução espacial é melhor do que a que pode ser alcançada com microscópios ópticos para amostras semelhantes em líquido. O paradigma pode se tornar instrumental para obter informações importantes sobre fenômenos eletroquímicos, objetos vivos e outros sistemas em nanoescala existentes em fluidos. "
p Por exemplo, microscopia de microondas pode fornecer uma maneira não invasiva de explorar fenômenos de superfície importantes que ocorrem na escala de bilionésimos de um metro, como a formação de um revestimento fino que protege e estabiliza o eletrodo de uma nova bateria, mas canibaliza seu eletrólito para fazer o revestimento. Microscopia de microondas, que permite que os cientistas vejam os processos à medida que acontecem sem pará-los, torna possível caracterizar as reações químicas em andamento em diferentes estágios.
p "No NIST, desenvolvemos câmaras ambientais com membranas ultrafinas para realizar microscopia eletrônica e outras técnicas analíticas em líquidos, "disse o autor sênior Andrei Kolmakov. Ele e seu colega Jeyavel Velmurugan, do Centro de Ciência e Tecnologia em Nanoescala do NIST, fizeram câmaras para encerrar objetos e processos em ambientes líquidos e realizaram caracterizações preliminares para identificar células biologicamente interessantes." As conversas entre os cientistas do ORNL e do NIST resultaram em a ideia de experimentar microondas não destrutivas para que as câmaras ambientais pudessem ser utilizadas para estudos mais amplos. Existem muito poucos grupos no mundo que conseguem imagens em alta resolução usando microondas, e o CNMS está entre eles. O design do experimento e o ajuste da tecnologia para geração de imagens exigiram experiência do ORNL. "
p Os pesquisadores do ORNL e do NIST combinaram as tecnologias existentes de novas maneiras e criaram uma abordagem única que pode ser útil em diagnósticos médicos, forense e pesquisa de materiais.
p "Pela primeira vez, somos capazes de obter imagens através de uma membrana muito fina, "Disse Tselev." Microondas e microscopia de varredura permitiam isso. "
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A ferramenta certa para o trabalho
p Para criar imagens de materiais altamente solicitados, como cristais, os pesquisadores podem empregar técnicas como espalhamento de nêutrons e difração de raios-X. Para criar imagens de materiais menos encomendados, como membranas de células vivas, ou processos, como reações químicas contínuas, a equipe ORNL-NIST colaborou de perto para inovar a ferramenta certa para o trabalho.
p Uma vez que os cientistas combinaram a câmara ambiental com uma capacidade de varredura de microondas, eles investigaram um sistema de modelo para ver se sua nova técnica funcionaria e para definir uma linha de base para experimentos futuros. Eles usaram o sistema sMIM para mapear partículas de poliestireno que se auto-montam em estruturas densamente compactadas em um líquido.
p Com essa prova de princípio alcançada, eles então perguntaram se seu sistema poderia discriminar entre prata, que é um condutor elétrico, e óxido de prata, um isolante, durante a eletrodeposição (uma reação induzida eletricamente para depositar prata em uma superfície). A microscopia óptica e a microscopia eletrônica de varredura não são boas para distinguir a prata do óxido de prata. Microscopia de microondas, em contraste, isoladores de condutores inequivocamente distintos. Próximo, os pesquisadores precisavam saber que a observação com sMIM não introduziria artefatos, como precipitação de prata, que a microscopia eletrônica de varredura pode causar - um problema que não é trivial. "Um artigo lista 79 reações químicas induzidas por elétrons na água, "Tselev observou. Geralmente, a microscopia eletrônica de varredura não permitirá que os cientistas sigam a precipitação da prata para formar dendritos em crescimento porque essa técnica é destrutiva. "Os dendritos se comportam muito mal sob um feixe de elétrons, "Tselev disse. Com sMIM, artefatos eletroquímicos e paralisação do processo não ocorreram. "Considerando que sMIM não é a única técnica não destrutiva, em muitos casos, pode ser o único que pode ser usado. "
p Em seguida, os pesquisadores criaram imagens de células vivas. Como as células saudáveis e doentes diferem em propriedades como a capacidade de armazenar energia elétrica, o mapeamento intracelular pode fornecer uma base para o diagnóstico. "Imagens tomográficas - resolução através das profundezas - também são possíveis com microondas, "Tselev disse.
p "Se você tem microondas, você pode ir de forma variável em profundidade e obter muitas informações sobre a própria membrana da célula biológica viva - forma e propriedades que dependem muito da composição química e do conteúdo de água, o que, por sua vez, depende se a célula está saudável ou não. ”Os pesquisadores foram capazes de detectar propriedades que distinguem as células saudáveis das doentes.
p Nos experimentos atuais, o sistema permitiu a observação perto de superfícies. "Isso não significa que não seremos capazes de ver mais a fundo se reformularmos o experimento, "Disse Tselev." As microondas podem penetrar muito profundamente. A profundidade é basicamente limitada pelo tamanho do contato entre a sonda e a membrana celular ambiental. "
p Em seguida, os pesquisadores tentarão melhorar a sensibilidade e a resolução espacial de seu sistema. Porque o afinamento das paredes da câmara ambiental melhoraria a resolução, os pesquisadores vão tentar fazer as paredes com grafeno ou nitreto de boro hexagonal, ambos têm apenas um átomo de espessura. Eles também usarão diferentes sondas e algoritmos de processamento de imagem para melhorar a resolução em diferentes profundidades.