Eles podem ser minúsculos e invisíveis, diz Xiaoji Xu, mas as partículas de aerossol suspensas em gases desempenham um papel na formação de nuvens e na poluição ambiental e podem ser prejudiciais à saúde humana.

Partículas de aerossol, que são encontrados na névoa, poeira e exaustão de veículos, medir nos mícrons. Um mícron é um milionésimo de um metro; um fio de cabelo humano tem cerca de 30 mícrons de espessura.

As partículas, diz Xu, estão entre os muitos materiais cujas propriedades químicas e mecânicas não podem ser totalmente medidas até que os cientistas desenvolvam um método melhor de estudar materiais em microescala, bem como em nanoescala muito menor (1 nm é um bilionésimo de metro).

Xu, um professor assistente de química, desenvolveu tal método e o utilizou para realizar imagens químicas não invasivas de uma variedade de materiais, além de mapeamento mecânico com resolução espacial de 10 nanômetros.

A tecnica, chamado de microscopia infravermelha de força de pico (PFIR), combina espectroscopia e microscopia de varredura por sonda. Além de lançar luz sobre as partículas de aerossol, Xu diz, O PFIR ajudará os cientistas a estudar fenômenos em micro e nanoescala em uma variedade de materiais não homogêneos.

"Os materiais na natureza raramente são homogêneos, "diz Xu." Os materiais poliméricos funcionais geralmente consistem em domínios em nanoescala com tarefas específicas. As membranas celulares são incorporadas com proteínas de tamanho nanométrico. Existem defeitos em nanoescala de materiais que afetam suas propriedades mecânicas e químicas.

"A microscopia PFIR representa um avanço fundamental que permitirá várias inovações em áreas que vão desde o estudo de partículas de aerossol até a investigação de materiais heterogêneos e biológicos, "diz Xu.

Xu e seu grupo relataram recentemente seus resultados em um artigo intitulado "Imagens químicas e mecânicas simultâneas em nanoescala via microscopia infravermelha de força de pico". O artigo foi publicado em Avanços da Ciência , um jornal da American Association for the Advancement of Science, que também publica a revista Science.

O autor principal do artigo é Le Wang, um Ph.D. estudante em Lehigh. Os co-autores incluem Xu e Lehigh Ph.D. alunos Haomin Wang e Devon S. Jakob, bem como Martin Wagner do Bruker Nano em Santa Bárbara, Califórnia, e Yong Yan do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey.

"A microscopia PFIR permite imagens químicas confiáveis, a coleção de espectros de banda larga, e mapeamento mecânico simultâneo em uma configuração simples com resolução espacial de ~ 10 nm, "escreveu o grupo.

"Investigamos três tipos de materiais representativos, nomeadamente, polímeros macios, cristais de perovskita e nanotubos de nitreto de boro, todos os quais fornecem uma ressonância PFIR forte para identificação nanoquímica inequívoca. Muitos outros materiais também devem ser adequados para a caracterização multimodal que a microscopia PFIR tem a oferecer.

"Resumindo, A microscopia PFIR fornecerá uma ferramenta analítica poderosa para explorações em nanoescala em disciplinas amplas. "

Xu e Le Wang também publicaram um artigo recente sobre o uso de PFIR para estudar aerossóis. Intitulado "Caracterização espectroscópica e mecânica em nanoescala de partículas individuais de aerossol usando microscopia infravermelha de força de pico, "o artigo apareceu em uma edição de" Investigadores Emergentes "da Comunicações Químicas , um jornal da Royal Society of Chemistry. Xu foi apresentado como um dos investigadores emergentes na edição. O artigo foi co-autoria de pesquisadores da Universidade de Macau e da City University of Hong Kong, ambos na China.

O PFIR obtém simultaneamente informações químicas e mecânicas, diz Xu. Ele permite que os pesquisadores analisem um material em vários lugares, e determinar suas composições químicas e propriedades mecânicas em cada um desses locais, em nanoescala.

"Um material nem sempre é homogêneo, "diz Xu." Suas propriedades mecânicas podem variar de uma região para outra. Sistemas biológicos, como paredes celulares, não são homogêneos, e também os materiais com defeitos. As características de uma parede celular medem cerca de 100 nanômetros de tamanho, colocando-os dentro do alcance da PFIR e de suas capacidades. "

O PFIR tem várias vantagens sobre a microscopia óptica de campo próximo (SNOM), o método atual de medição de propriedades de materiais, diz Xu. Primeiro, O PFIR obtém um espectro infravermelho mais completo e uma imagem mais nítida - resolução espacial de 6 nm - de uma variedade maior de materiais do que o SNOM. SNOM funciona bem com materiais inorgânicos, mas não obtém um sinal infravermelho tão forte quanto a técnica de Lehigh a partir de materiais mais macios, como polímeros ou materiais biológicos.

“Nossa técnica é mais robusta, "diz Xu." Funciona melhor com materiais macios, química, bem como biológica. "

A segunda vantagem do PFIR é que ele pode realizar o que Xu chama de espectroscopia de ponto.

"Se houver algo de interesse químico em uma superfície, "Xu diz, “Eu coloquei uma sonda AFM [microscopia de força atômica] naquele local para medir a resposta infravermelha da força de pico.

"É muito difícil obter esses espectros com microscopia ótica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento de corrente. Isso pode ser feito, mas requer fontes de luz muito caras. Nosso método usa um laser infravermelho de banda estreita e custa cerca de US $ 100, 000. O método existente usa uma fonte de luz de banda larga e custa cerca de US $ 300, 000. "

Uma terceira vantagem, diz Xu, é que o PFIR obtém uma resposta mecânica e também química de um material.

"Nenhum outro método de espectroscopia pode fazer isso, "diz Xu." O material é rígido ou mole? É heterogêneo - é macio em uma área e rígido em outra? Como a composição varia das áreas moles às rígidas? Um material pode ser relativamente rígido e ter um tipo de composição química em uma área, e ser relativamente macio com outro tipo de composição em outra área.

"Nosso método obtém simultaneamente informações químicas e mecânicas. Será útil para analisar um material em vários locais e determinar suas composições e propriedades mecânicas em cada um desses locais, em nanoescala. "

Uma quarta vantagem do PFIR é seu tamanho, diz Xu.

"Usamos um laser de mesa para obter espectros infravermelhos. A nossa é uma fonte de luz muito compacta, em oposição aos tamanhos muito maiores de fontes de luz concorrentes. Nosso laser é responsável por coletar informações sobre a composição química. Recebemos informações mecânicas do AFM. Integramos os dois tipos de medições em um dispositivo para obter simultaneamente dois canais de informação. "

Embora o PFIR não funcione com amostras líquidas, diz Xu, pode medir as propriedades de amostras biológicas secas, incluindo paredes celulares e agregados de proteínas, alcançar uma resolução espacial de 10 nm sem coloração ou modificação genética.