听说显微镜下能观察分子取向了？！

材料牛注：研究人员利用原子力显微镜结合ALS和传统激光器产生的红外光，实现了对材料表面纳米级的探测，可以获得晶体形状和取向等关键信息，为分子器件设计和蛋白质生物特性研究领域做出巨大贡献。

美国伯克利实验室和科罗拉多大学波尔得分校共同组建的科研小组开发出了揭示功能材料晶体特性的新方法。

从太阳能电池到有机发光二极管（LEDs）和晶体管，以及医学上重要的蛋白质，人类对材料的分子构成的详细描述并不总是那么清晰明白。

为了了解材料在微观尺度上如何运作，更好的设计材料以改善它们的功能，我们不仅要知道它们的组成，而且需要知道它们的分子排列和微观缺陷。

如今，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室工作的研究人员向人们展示了一种以电子能力闻名的有机半导体的红外成像，揭示了诸多关键的关于其晶体形状和取向以及影响其性能缺陷的纳米级细节。

为了实现这一成像突破，伯克利先进光源实验室（ALS）和科罗拉多大学博尔德分校(CU-Boulder)的研究人员将ALS的红外光源和激光红外线与原子力显微镜相结合。ALS是一种同步回旋加速器，通过在弯曲处将电子加速到接近光速，来产生从红外线到X射线的一定波长或颜色的光。

研究人员将两个红外光源聚焦在原子力显微镜的尖端。原子力显微镜的工作方式有点像电唱机的针头——它移动穿过材料的表面，并在其升降时测量表面的显微特征。

最近一期Science Advances中详细介绍了这项技术。该技术允许研究人员针对具有特定化学键及排列的样品调整红外光，显示详细的晶体特征，并探索样品中的纳米级化学环境。

ALS科学家Hans Bechtel说道，“我们的技术是广泛适用的。你可以将其用于多种类型的材料——唯一的限制是要求材料必须相对平坦。”只有这样，原子力显微镜的尖端才能在其高峰和低谷之间移动。

博尔德分校的一位教授Markus Raschke，和他团队里的博士后Eric Muller共同开发了这项成像技术。Markus Raschke说：“如果你知道这些有机材料的分子组成和取向，那么你就可以用更加直接的方法对其性能进行优化。”

“这项工作可以为材料设计提供有效信息。这项技术的灵敏度可以从数百万计的分子到几百个分子，成像分辨率可从微米级（百万之一英寸）到纳米级（十亿分之一英寸）。”Raschke继续介绍道。

同步回旋加速器产生的红外线提供了必不可少的宽频带红外光谱，使它能灵敏检测许多不同种类化学物质，还能提供样品的分子取向信息。而传统的红外光激光功率高、光谱范围窄，使研究人员可以放大特定的键以获得成像细节。

Raschke说：“ALS同步回旋加速器或者传统激光器产生的红外光单独作用都不可能达到这种层次的微观探测能力，而两者的组合给我们提供了一个‘1+1>2’的强大探测器。”

十年前，Raschke在柏林使用BESSY同步加速器首次探索了基于同步加速器的红外纳米光谱。在他和ALS科学家Michael Martin 和Bechtel的共同努力下，ALS在2014年成为第一个对来访科学家展示纳米红外成像的同步加速器。

该技术对于研究和理解具有特殊光子、电子或能量转换、能量存储特性的“功能材料”特别有用。

“原则上，确定分子取向的新进展可以用于蛋白质的生物学特性研究。分子取向是确定生物功能的关键。” Raschke补充道。分子取向决定了能量和电荷如何从细胞膜流向分子太阳能转换材料。

Bechtel说，“红外技术允许的成像分辨率为10~20nm，能探测比一粒沙子小50,000倍的物质。”

成像技术在这些实验中的应用，比如“散射式扫描近场光学显微镜”（s-SNOW），本质上是使用原子力显微镜尖端作为超灵敏天线接收和传输聚焦的红外光。当探测器在样品上移动时，探测器记录下尖端捕获的散射光以产生高分辨率图像。

当显微镜尖端移动到样品尖端时，Bechte说道，“它是非侵入性的，并且它能提供关于分子振动的信息。”研究人员使用该技术研究被称为PTCDA（苝四甲酸二酐）的一种有机半导体材料。该研究成果的其他贡献者包括Raschke 团队里的两位成员Benjamin Pollard和Peter van Blerkom。

研究人员报告说，他们观察到的材料的晶体结构取向为晶体的生长机制提供了新的认识，这有助于使用该材料进行分子器件设计。

新的成像能力为9月下旬宣布成立的新的国家科学基金会中心奠定了基础。该中心联合了科罗拉多大学波尔德分校，伯克利实验室，加州大学伯克利分校、佛罗里达国际大学，加州大学欧文分校和杜兰戈路易斯学院。该中心将结合一系列跨学科的显微成像方法，包括使用电子、X射线和可见光的，开发新的城乡成像方式。

STROBE中心（实时功能成像科学与技术中心Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging）将由博尔德分校杰出教授Margaret Murnane领导，Raschke担任联合领导。

在伯克利实验室，STROBE将提供一系列的ALS功能，包括由Bechtel 和Martin管理的红外光束和一种新光束线COSMIC（coherent scattering and microscopy相干散射和显微镜）。它也将受益于伯克利实验室开发的数据分析工具。在伯克利实验室领导国家电子显微镜中心的ALS主任Roger Falcone和Andrew Minor也是STROBE的参与者。

这项工作由国家自然科学基金资助。该ALS是美国能源部科学办公室的用户设施。

原文链接：Crystal Clear Imaging: Infrared Brings to Light Nanoscale Molecular Arrangement。

文献链接：Infrared vibrational nanocrystallography and nanoimaging。

本文由编辑部丁菲菲提供素材，罗春兰编译，时冰遥审核，点我加入材料人编辑部。