Оптический пинцет в сочетании с рентгеновским излучением позволяет анализировать кристаллы в жидкости

Ученые нашли способ использовать «оптический пинцет», используя лазеры, зеркало и модулятор света для закрепления кристалла в растворе. «Пинцет» позволил проводить рентгеноструктурные измерения кристалла, взвешенного в растворе. Предоставлено: Роберт Хорн / Аргоннская национальная лаборатория.

Понимание того, как химические реакции происходят на крошечных кристаллах в жидких растворах, является центральным во многих областях, включая синтез материалов и гетерогенный катализ, но для получения такого понимания необходимо, чтобы ученые наблюдали за реакциями по мере их возникновения.

Используя методы когерентной дифракции рентгеновских лучей, ученые могут с высокой степенью точности измерять внешнюю форму и деформацию нанокристаллических материалов. Однако проведение таких измерений требует точного контроля положения и углов крошечного кристалла относительно входящего рентгеновского пучка. Традиционно это означало приклеивание кристалла к поверхности, которая, в свою очередь, деформирует кристалл, тем самым изменяя его структуру и потенциально влияя на реакционную способность.

«С помощью оптического пинцета вы можете захватить одну частицу в ее исходном состоянии в растворе и наблюдать за ее структурной эволюцией», — сказала Линда Янг, уважаемый сотрудник Argonne.

Теперь ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета разработали новую методику, объединяющую мощь наноразмерных «лучей трактора» с мощным рентгеновским излучением, что позволяет им позиционировать кристаллы и манипулировать ими. в растворе, который не контактирует с подложками.

Техника луча трактора известна как «оптический пинцет», который также по совпадению был удостоен Нобелевской премии по физике 2018 года, потому что она позволяет манипулировать образцами, используя только свет.

В то время как обычные оптические пинцеты используют одиночный сфокусированный лазерный луч, голографические оптические пинцеты, используемые в исследовании, включают лазеры, точно модифицированные пространственным модулятором света. Эти лазеры отражаются от зеркала для создания интерференционной картины «горячих точек», которые более локализованы, чем просто сфокусированный лазерный луч, и имеют быстро перестраиваемые местоположения. Градиент электрического поля этих сфокусированных горячих точек притягивает поляризуемый кристалл и удерживает его на месте.

С помощью пары пинцетов, каждый на одном конце кристалла, ученые Аргонны могли манипулировать полупроводниковым микрокристаллом в трех измерениях с высокой точностью в присутствии жидкого раствора и не подвергая его воздействию других поверхностей.

«Обычно, когда люди смотрят на микрокристаллы с помощью дифракции рентгеновских лучей, они наклеиваются на держатель образца, что вызывает искажение», — говорит уважаемая коллега Аргонна Линда Янг, соответствующая автор исследования. «Но теперь, с помощью оптического пинцета, вы можете захватить одну частицу в ее исходном состоянии в растворе и наблюдать за ее структурной эволюцией. В принципе, вы можете добавлять реагенты, захватывать растворение или реакцию и отслеживать изменения на атомном уровне».

Получив возможность манипулировать образцом, используя только свет, Янг и ее коллеги смогли воспользоваться преимуществами когерентного рентгеновского излучения, производимого Аргоннским усовершенствованным источником фотонов (APS), Учебным центром Министерства науки США. Используя технику, называемую брэгговской когерентной дифракционной томографией (CDI), исследователи смогли исследовать структуру кристалла в реальных условиях и с разных точек зрения.

Объединив оптический пинцет с Брэгговским CDI, у ученых появился новый способ исследования материалов в жидких средах, пояснил ученый Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Юань Гао, первый автор исследования. «Наше открытие основано на сочетании различных методов, в том числе сопряжения лазеров с когерентным лучом от APS», — сказал он. «Для проведения эксперимента нам потребовалась технология нанотехнологий в Центре наноразмерных материалов, чтобы сделать ячейку для образца». Центр наноразмерных материалов (CNM) также является отделом научных исследований Министерства образования США.

По словам Янга, этот метод может быть полезен для широкого круга будущих исследований, включая нуклеацию и рост кристаллов. «Как правило, люди смотрят на изолированные нанокристаллические образцы в воздухе или в вакууме. Мы хотели иметь возможность контролировать такие объекты в жидкой фазе. Например, мы хотели иметь возможность наблюдать, как катализ или кристаллизация разворачиваются в реальном времени с точностью, которая предоставленный рентгеновской кристаллографией, «сказала она.

Гао указал на стабильность, которую обеспечивают оптические пинцеты, в качестве основного преимущества для будущих экспериментов по когерентной рентгенографии. «Когерентная дифракция очень чувствительна к положению и ориентации образца, и этот эксперимент продемонстрировал возможности этого нового метода », — сказал он. Из-за стабильности метода исследователи смогли получить данные когерентной дифракции, которые позволили им реконструировать образец с точностью до нанометра, выявляя дефекты масштаба субнанометра и границы зерен в якобы кристаллическом микрокристалле ZnO.

«По мере того, как мы смотрим на модернизацию APS, которая увеличит яркость рентгеновских лучей на порядки, эти измерения будут намного быстрее и обеспечат еще более захватывающее понимание того, как образцы меняются во времени», — добавил Росс Хардер. Аргоннский физик из APS, автор статьи.

В конце концов, исследователи хотели бы расширить технику для захвата сверхбыстрой эволюции кристалла, когда он возбуждается лазерным импульсом, говорит профессор химии Чикагского университета Норберт Шерер, другой автор статьи. «Это первый шаг в достижении наших больших амбиций, а именно, визуализация зависящей от времени структурной динамики изменения решетки», — сказал он.

Для проведения эксперимента исследователи полагались на создание микрофлюидных компонентов на УНМ. Электродинамическое моделирование также проводилось в высокопроизводительном вычислительном кластере CNM Carbon. Исследователи из Чикагского университета поделились своим опытом в технологии голографического оптического пинцета.

Статья, основанная на исследовании «Трехмерное оптическое улавливание и ориентация микрочастиц для когерентной рентгеновской дифракционной визуализации», появилась в онлайн-издании Трудов Национальной академии наук от 11 февраля.

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-optical-tweezers-combine-x-rays-enable.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...