Новый подход к микроволновому изображению превосходит рентгеновские и электронные методы, которые могут повредить хрупкие образцы и получить грязные результаты. И это избавляет дорогостоящее оборудование от воздействия жидкостей, устраняя при этом необходимость упрочнять датчики от коррозионных, токсичных или других вредных сред.
В статье для журнала ACS Nano сотрудники — из Центра наноразмерной науки и технологий Национального института стандартов и технологий (NIST) и Национальной лаборатории Окриджа Министерства энергетики США (ORNL) — описывают свой новый подход к визуализации. реактивные и биологические образцы на наноразмерном уровне в реальных условиях.
Ключевым элементом является окно, ультратонкая мембрана, которая отделяет игольчатый зонд атомно-силового микроскопа (АСМ) от лежащего под ним образца, помещенного в крошечные контейнеры, которые поддерживают постоянную жидкую или газовую среду.
Это дополнение превращает формирование микроволнового изображения в ближнем поле в универсальный инструмент, расширяя его возможности за пределы полупроводниковой технологии, где он используется для исследования твердых структур, в новую область жидкостей и газов.
«Ультратонкая, прозрачная для микроволнового излучения мембрана позволяет исследовать образец так же, как земной радар использовался для получения изображений поверхности Венеры через ее непрозрачную атмосферу», — пояснил физик NIST Андрей Колмаков.
«Мы генерируем микроволны на вершине — или на самом конце — наконечника зонда», — сказал Колмаков. "Микроволны проникают через мембрану на несколько сотен нанометров в глубину жидкости до интересующего объекта. Когда наконечник сканирует образец через мембрану, мы записываем отраженные микроволны для создания изображения."
Микроволны намного больше, чем наноразмерные объекты, которые они привыкли "видеть"."Но когда они излучаются с небольшого расстояния, микроволны ближнего поля, отраженные от образца, дают удивительно детальное изображение.
В своих экспериментах по проверке концепции команда NIST-ORNL использовала свой гибридный микроскоп, чтобы получить наноразмерное представление о ранних стадиях процесса гальваники серебра. Микроволновые изображения зафиксировали электрохимическое образование ветвящихся металлических кластеров или дендритов на электродах. Могут быть различимы такие мелкие детали, как 100 нанометров (миллиардных долей метра).
Что не менее важно, низкоэнергетические микроволны были слишком слабыми, чтобы разорвать химические связи, нагревать или иным образом вмешиваться в процесс, который они использовали для захвата изображений.
Напротив, растровый электронный микроскоп, который использовался для записи того же процесса гальваники с сопоставимыми уровнями разрешения, давал изображения, показывающие расслоение и другие деструктивные эффекты электронного луча.
Команда сообщает об аналогичном успехе в использовании своей АСМ-микроволновой установки для записи изображений дрожжевых клеток, диспергированных в воде или глицерине. Уровни пространственного разрешения были сравнимы с уровнями, достигнутыми с помощью сканирующего электронного микроскопа, но, опять же, не имели повреждений, вызванных электронным лучом.
В своих экспериментах команда использовала мембраны, сделанные либо из диоксида кремния, либо из нитрида кремния, толщиной от 8 до 50 нанометров. Однако они обнаружили, что чем тоньше мембрана, тем лучше разрешение — до десятков нанометров — и тем больше глубина зондирования — до сотен нанометров.
«Эти цифры можно улучшить с помощью настройки и разработки более совершенной электроники», — сказал Колмаков.
Помимо изучения процессов в реактивных, токсичных или радиоактивных средах, исследователи предполагают, что их подход к микроволновому изображению может быть интегрирован в жидкостные устройства «лаборатория на кристалле», где его можно использовать для отбора проб жидкостей и газов.
Исследование было проведено в Центре наноразмерной науки и технологий NIST и в Центре науки о нанофазных материалах Управления науки Министерства энергетики США.
