Zespół naukowców z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS opublikował wyniki przełomowych badań dotyczących orientacji molekuł w materiałach i tworzenia map 3D takich orientacji. Pozwoli to na uzyskanie wcześniej niedostępnych informacji o badanym materiale.
Jeśli z pospolitego izolatora jesteśmy w stanie uzyskać przewodnik cieplny dzięki zmianie orientacji cząstek w badanym materiale, czy badania nad poznaniem i wizualizacją przestrzenną makromolekuł nie są kluczową informacją dla zrozumienia układu? To pytanie zadali sobie naukowcy z NCPS SOLARIS pracujący przy linii CIRI. Wykorzystując znane techniki, zastosowali niestandardową analizę matematyczną do tego typu danych, dzięki czemu udało im się przekroczyć granice techniki i uzyskać wysokiej rozdzielczości obrazy wizualizujące orientację przestrzenną molekuł w badanym polimerze sferulitu.
Spektroskopia w podczerwieni (IR) pozwala na uzyskanie bogatych informacji na temat badanej próbki bez niszczenia jej czy wykorzystywania barwienia próbki. Technika ta od lat z powodzeniem stosowana jest w wielu dziedzinach nauki, a kluczową rolę pełni w dziedzinach badań nad nowymi materiałami. Naukowcy z Synchrotronu SOLARIS, pod kierownictwem dr. hab. Tomasza Wróbla, po raz pierwszy zastosowali tzw. analizę równoczesną (4P-3D) do danych spektromikroskopowych w podczerwieni. Dzięki temu uzyskali informację o kątach orientacji makromolekuł w próbce sferulitu polikaprolaktonu. Okazało się to możliwe dzięki jednoczesnej analizie dwóch pasm o mniej więcej prostopadłych orientacjach momentu przejścia mierzonych przy 4 różnych polaryzacjach liniowych.
Ustrukturyzowanie materiału obok składu chemicznego jest podstawową informacją, jaką chcemy uzyskać o badanym materiale. Wpływa na właściwości mechaniczne (rozciąganie, pękanie), chemiczne, fizykochemię powierzchni, przewodnictwo, dyfuzję np. leku przez tkankę i wiele innych. Jest to cała masa różnych właściwości próbki i niezbędne nam są narzędzia do ich badania i wyznaczania – tłumaczy dr hab. Tomasz Wróbel.
Do tej pory możliwe były badania orientacji wiązań w badanym materiale, ale tylko do pewnego stopnia, np. na dużych obszarach, w cienkich warstwach materiałów czy przy użyciu tomografii. Dzięki najnowszemu odkryciu możliwe jest uzyskanie wysokorozdzielczego obrazu 3D i co ważne, bez niszczenia badanego materiału oraz bez użycia dodatkowych barwników czy znakowania.
Ponadto pokazujemy, że metoda ta może być zastosowana do wysokorozdzielczego (ograniczonego limitem dyfrakcji) obrazowania FT-IR i ramanowskiego, a nawet do superrozdzielczego obrazowania O-PTIR – podkreśla Paulina Kozioł, pierwsza autorka publikacji (pomiary O-PTIR udało się wykonać w synchrotronie SOLEIL dzięki współpracy z dr Ferenc Borondics).
Przestrzenne, nieniszczące badania orientacji będą miały głęboki wpływ na materiały i nauki przyrodnicze jako metoda wydobywania wcześniej nieosiągalnych informacji ze złożonych układów w skali nanometrycznej. Już teraz wiadomo, że wydajność ogniw słonecznych zależy od orientacji i uporządkowania polimerów wewnątrz. Takie badania podstawowe przybliżają naukowców do bardziej wydajnych i ekologicznych rozwiązań technicznych.
Wyniki badań naukowców z NCPS SOLARIS opublikowało czasopismo JACS. Były finansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki.
MK, źródło: SOLARIS