Nowa technika mikroskopii sił atomowych zastosowana na Uniwersytecie Kanazawa ujawnia trójwymiarowe warstwy hydratacyjne w rozpuszczaniu kalcytu, potwierdzając długo utrzymywane teorie geochemiczne.
Zrozumienie procesów rozpuszczania minerałów może dostarczyć kluczowych informacji na temat procesów geochemicznych. Próba wyjaśnienia niektórych obserwacji podczas rozpuszczania kalcytu (CaCO3) doprowadziły do hipotezy, że tworzy się warstwa hydratacyjna, chociaż zostało to zakwestionowane. Warstwy hydratacyjne są ważne, ponieważ odgrywają kluczową rolę w kilku procesach, w tym w adhezji, korozji i zwilżaniu, a także zwijaniu, stabilności i rozpoznawaniu białek.
Teraz zespół badaczy kierowany przez Kazuki Miyatę, Adama S. Fostera i Takeshiego Fukumę z Nano Life Science Institute (WPI-Nano LSI) na Uniwersytecie Kanazawa w Japonii z powodzeniem zmodernizował swój mikroskop sił atomowych, aby umożliwić pobieranie danych obrazowych z czasem i rozdzielczość przestrzenna konieczna do uzyskania obrazów struktury 3D, które dostarczają bezpośredniego dowodu na tworzenie się warstwy hydratacyjnej podczas rozpuszczania kalcytu.
Postępy w mikroskopii sił atomowych
Hipoteza o powstaniu warstwy hydratacyjnej podczas rozpuszczania kalcytu została poparta symulacjami procesu, które wykazały powstawanie Ca(OH)2 warstwę w „obszarach przejściowych” w miarę rozpuszczania się kalcytu. Pomimo niestabilności w masie lub na płaskich tarasach, Ca(OH)2 może przejąć pewną stabilność z konstrukcji krawędzi stopnia, chociaż mechanizm stojący za tym nie jest dobrze poznany.
Może to wyjaśniać stabilność Ca(OH)2 obok krawędzi stopni, ale ponieważ obszary przejściowe obserwowane w eksperymentach rozciągają się na kilka nanometrów, autorzy założyli możliwość, że Ca(OH)2 uzyskuje swoją stabilność poprzez pośrednie oddziaływanie ze stopniem za pomocą struktury hydratacyjnej. Jak jednak zauważają naukowcy w swoim raporcie, skutki uwodnienia pozostają „słabo poznane”, ponieważ brakuje technik obrazowania zmian w strukturach międzyfazowych ciało stałe-ciecz.
Wyzwania w obrazowaniu efektów nawodnienia
Mikroskopia sił atomowych (AFM) pozwala uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości przy użyciu: nanoskala wspornik, aby wyczuć powierzchnię trochę jak igła gramofonu, wyczuć rowki w winylu. Jednak pomimo ogromnej, skokowej zmiany w szybkości pozyskiwania obrazu, którą można osiągnąć dzięki wynalezieniu szybkiego (HS) AFM, AFM nadal nieco ucierpiał z powodu kompromisu między szybkością a rozdzielczością przestrzenną. Wysiłki mające na celu zastosowanie go do badania procesów rozpuszczania są również utrudnione, ponieważ narzędzie jest zaprojektowane do skanowania topologii i interakcji na powierzchniach 2D, a rozpuszczanie minerałów wiąże się ze zmianami strukturalnymi 3D.
Przełom w szybkim obrazowaniu 3D
Poprzednie prace przyspieszyły AFM z modulacją częstotliwości (FM) o wyższej rozdzielczości, dzięki czemu czas uzyskiwania obrazu został skrócony z minuty do zaledwie 0,5 s/klatkę. To uaktualnienie umożliwiło autorom zobrazowanie obszaru przejściowego, na podstawie którego wywnioskowali obecność warstwy hydratacyjnej, ale wymagana była pewna ekstrapolacja w celu wyodrębnienia informacji o strukturze 3D z porównania danych 2D-AFM z symulacją 3D, co pozostawiło niektórych z wątpliwościami we wnioskach . Modyfikacje AFM w celu wyodrębnienia danych siły 3D za pomocą AFM wykazano już wcześniej, chociaż po raz kolejny pomimo pewnych ulepszeń przyspieszających działanie, czas akwizycji obrazu do około 1 minuty na klatkę pozostawał zaporowy dla obserwacji procesów dynamicznych.
Autorzy ominęli wszystkie te wady, łącząc HS-FM-AFM z 3D-SFM. Wiązało się to ze zwiększeniem szerokości pasma ich 3D-SFM przy zachowaniu rozdzielczości siły 10–100 nN, szybką synchronizacją sygnałów w skanowaniu bocznym i 3rd wymiar i szybkie rejestrowanie przesunięć częstotliwości wspornika. Dzięki temu badacze byli w stanie rejestrować obrazy 3D-SFM w czasie zaledwie 1,6 s/klatkę. Wykorzystali to podejście do zobrazowania rozpuszczania kalcytu.
„Obrazy HS-3D-SFM uzyskane w ramach niniejszej pracy wyraźnie pokazują rozkład 3D przewidywany w symulacjach, potwierdzając w ten sposób istnienie wydłużonej warstwy hydratacyjnej” – zauważają w swoim raporcie.
Słowniczek
AFM
Mikroskopię sił atomowych założyli po raz pierwszy w połowie lat 80. XX wieku Gerd Binnig, Calvin Quate i Christophe Gerber. Wykorzystuje wspornik w skali nano z przymocowaną do niego końcówką w skali nano, tak że interakcje między końcówką a powierzchnią powodują ugięcie końcówki. Dzięki atomowo ostremu końcowi końcówki można osiągnąć rozdzielczość subnanometrową.
AFM z modulacją częstotliwości
Podczas pierwszej demonstracji AFM uzyskano rozdzielczość boczną 30 Å w powietrzu. Szereg modyfikacji w początkowej konfiguracji pozwoliło ulepszyć urządzenie. Dzięki unikaniu kontaktu z próbką podejście to można zastosować do badania delikatnych i miękkich materiałów. Tryb stukania lub AFM z modulacją częstotliwości pomogły poprawić czułość urządzenia w niektórych konfiguracjach. Tutaj monitoruje się koniec klap wspornikowych w górę i w dół oraz monitoruje się zmianę częstotliwości w wyniku interakcji z powierzchnią.
Szybki AFM
W 2008 roku Toshio Ando na Uniwersytecie Kanazawa zademonstrował, jak modyfikacje poprawiające szerokość pasma sprzężenia zwrotnego i wykrywanie fazy, a także optymalizacje wspornika mogą przyspieszyć szybkość akwizycji obrazu na tyle, aby umożliwić nagrywanie filmów AFM procesów dynamicznych.
AFM lepiej nadaje się do obrazowania próbek biologicznych niż opracowany wcześniej skaningowy mikroskop tunelowy, ponieważ nie wymaga próbki przewodzącej. Rozwój HS-AFM pozwolił ludziom po raz pierwszy zastosować tę technikę do wizualizacji procesów molekularnych.
Późniejsze osiągnięcia pomogły ludziom przyspieszyć FM-AFM, aby przechwytywać obrazy również z szybkością 0,5 s/klatkę. Naukowcy z NanoLSI zastosowali to podejście do badania rozpuszczania kalcytu już wcześniej, ale mogli jedynie monitorować zmiany struktury 2D. Aby wyciągnąć wnioski na temat kształtu 3D, założono obecność Ca(OH)2obliczono strukturę 3D za pomocą Ca(OH)2 i warstwę hydratacyjną na górze, wywnioskował z tego siły, a co za tym idzie, zmiany częstotliwości zmierzone przez AFM i powstałą mapę wysokości 2D, a na koniec porównał to z obrazem uzyskanym z 2D-FM-AFM.
3D-AFM
Dalsze udoskonalenia 3D-AFM umożliwiły monitorowanie sił działających na końcówkę we wszystkich trzech wymiarach. Chociaż pierwotnie był on dość powolny ze względu na złożoność ruchów końcówki, badacze NanoLSI odkryli, że można go przyspieszyć, modulując sinusoidalnie pionową wysokość końcówki podczas skanowania bocznego.
Ta „3D-skanująca mikroskopia sił (3D-SFM)” umożliwiła przechwytywanie obrazów z szybkością 1 minuty na klatkę – wystarczająco szybko, aby uniknąć zniekształcenia obrazu na skutek dryfu końcówki, ale jeszcze nie wystarczająco szybko, aby monitorować procesy dynamiczne, co było możliwe dzięki połączenie 3D-AFM z HS-FM-AFM. Umożliwiło to bezpośrednie monitorowanie dynamicznych zmian struktury 3D.
Odniesienie: „High-Speed Three-Dimensional Scanning Force Microscopy Visualization of Subnanoscale Hydration Structures on Disstanding Calcite Step Edges” autorstwa Kazuki Miyata, Kosuke Adachi, Naoyuki Miyashita, Keisuke Miyazawa, Adam S. Foster i Takeshi Fukuma, 26 sierpnia 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02368
Finansowanie: Praca ta była wspierana przez Inicjatywę Międzynarodowego Centrum Badawczego Światowej Premiery (WPI), MEXT, Japonia; Numery dotacji JSPS KAKENHI JP16H02111, JP20H00345, JP20H05212, JP21H05251 i JP22H01954; Numer grantu JST PRESTO JPMJPR23JC. K. Miyata otrzymał wsparcie Fundacji Mitani na rzecz Badań i Rozwoju; Granty badawcze Instytutu Zaawansowanych Technologii. Dziękujemy za zasoby obliczeniowe projektu Aalto Science-IT i CSC w Helsinkach. ASF wsparła Akademia Fińska (nr projektu 314862).
