CLAIRE - Đột phá mới trong kỹ thuật chụp ảnh nano không xâm lấn

Ảnh CLAIRE các cấu trúc nano nhôm

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật chụp ảnh cấp nano không xâm lấn mới cho phép họ biến kính hiển vi điện tử thành phương thức chụp ảnh không xâm lấn để nghiên cứu các vật liệu mềm và cung cấp thông tin quang phổ chi tiết về chúng ở cấp nano.

Vật chất mềm bao gồm phạm vi rộng các vật liệu, bao gồm chất lỏng, polyme, gel, bọt và - quan trọng nhất - các phân tử sinh học. Tại trung tâm của vật liệu mềm, kiểm soát các đặc tính và khả năng tổng thể của chúng, là những tương tác của các thành phần có kích thước nano. Việc quan sát các động thái đằng sau những tương tác này là rất quan trọng để hiểu được quá trình sinh học chủ chốt, chẳng hạn như kết tinh và chuyển hóa protein, và có thể giúp đẩy nhanh sự phát triển của các công nghệ quan trọng mới, chẳng hạn như quang hợp nhân tạo hoặc pin quang điện hiệu suất cao. Quan sát những động thái này ở độ phân giải đủ cao là một thách thức lớn nhưng hiện đang được đáp ứng bằng một kỹ thuật chụp ảnh không xâm lấn mới cấp nano - viết tắt là CLAIRE.

CLAIRE là viết tắt của "cathodoluminescence activated imaging by resonant energy transfer" (chụp ảnh hoạt hóa phát sáng ca-tốt bằng truyền năng lượng cộng hưởng) do các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ phát minh ra. CLAIRE mở rộng độ phân giải đáng kinh ngạc của kính hiển vi điện tử để chụp ảnh động của vật chất mềm.

CLAIRE hoạt động cơ bản bằng cách kết hợp các thuộc tính ưu việt nhất của kính hiển vi quang và quét điện tử thành một nền tảng chụp ảnh duy nhất. Kính hiển vi quét điện tử sử dụng chùm điện tử thay cho ánh sáng để chiếu sáng và phóng đại. Với bước sóng ngắn hơn nhiều so với các photon ánh sáng khả kiến, chùm điện tử có thể được sử dụng để quan sát đối tượng nhỏ hơn hàng trăm lần so với bằng kính hiển vi quang học. Tuy nhiên, những chùm điện tử này tiêu diệt hầu hết các dạng vật chất mềm và không thể kích thích phân tử cụ thể bằng quang phổ.

Ginsberg và các đồng nghiệp ở Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley (Berkeley Lab) vượt qua những vấn đề này bằng cách sử dụng một quá trình gọi là "chiếu sáng ca-tốt" (cathodoluminescence), trong đó một màng phim siêu mỏng, dày khoảng 20 nm, gồm yttrium perovskite nhôm pha xeri, được chèn vào giữa các chùm điện tử và mẫu. Khi màng phim này được kích thích bởi một chùm điện tử năng lượng thấp (khoảng 1 KeV), nó phát ra năng lượng được chuyển đến mẫu, khiến cho mẫu bức xạ. Sự phát quang này được ghi lại và tương quan với vị trí chùm điện tử để tạo thành hình ảnh mà không bị hạn chế bởi giới hạn nhiễu xạ quang học.

Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm để CLAIRE có thể sử dụng rộng rãi, Ginsberg và các đồng nghiệp đang nghiên cứu cải tiến kỹ thuật này cho một số ứng dụng cụ thể.

"Chúng tôi đang quan tâm đến chụp ảnh không xâm lấn cho các vật liệu chức năng mềm như các lớp hoạt hóa trong pin năng lượng mặt trời và các thiết bị phát sáng", cô nói. "Nó đặc biệt đúng trong các chất hữu cơ và lai hữu cơ/vô cơ có hình thái vật liệu phức tạp và đòi hỏi độ phân giải cỡ nano để so sánh tương quan giữa đặc tính hình thái với chức năng".

Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo ra các tế bào chất lỏng để quan sát các tương tác sinh học phân tử trong các điều kiện sinh lý. Do kính hiển vi điện tử chỉ có thể hoạt động trong chân không cao, bởi các phân tử trong không khí phá hủy chùm điện tử và do chất lỏng bốc hơi trong chân không cao, nên các mẫu dung dịch nước hoặc phải được đông lạnh khô hoặc bịt kín trong các khoang đặc biệt.

"Chúng tôi cần các tế bào chất lỏng cho CLAIRE để nghiên cứu sự tổ chức động của các protein khai thác ánh sáng trong các màng quang hợp", Ginsberg nói. "Chúng tôi cũng có thể thực hiện các nghiên cứu khác trong lý sinh học màng để xem cách các phân tử khuếch tán trong môi trường phức tạp như thế nào, và chúng tôi có thể nghiên cứu sự nhận biết phân tử ở cấp độ đơn phân tử".

Theo Vista.gov.vn