Przełomowe badania pozwalające na stworzenie trójwymiarowych map orientacji wiązań w próbce zostały opublikowane przez zespół badawczy przy linii CIRI w prestiżowym czasopiśmie JACS. Dogłębna charakterystyka próbki, przy jednoczesnym nie niszczeniu preparatu, ma kluczowe znaczenia dla badań z dziedziny materiałoznawstwa czy nauk przyrodniczych i pozwoli na wyciąganie wcześniej nieosiągalnych informacji ze złożonych układów.

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 i 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 orientacje 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 kluczowa jest 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 oni 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” – mówi dr hab. Tomasz Wróbel (SOLARIS). „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”.

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 (CIRI, SOLARIS) pierwszy autor 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 wiemy, że wydajność ogniw słonecznych zależy od orientacji i uporządkowania polimerów wewnątrz. Takie badania podstawowe przybliżają nas do bardziej wydajnych i ekologicznych rozwiązań technicznych.

Link do publikacji:

Super-Resolved 3D Mapping of Molecular Orientation Using Vibrational Techniques
Paulina Koziol, Karolina Kosowska, Danuta Liberda, Ferenc Borondics, Tomasz P. Wrobel
Journal of the American Chemical Society, 2022, https://doi.org/10.1021/jacs.2c05306

Rycina 2 z publikacji (https://doi.org/10.1021/jacs.2c05306) przedstawia schemat hierarchicznej modelowej struktury sferulitu polikaprolaktonu. 

Badania były finansowane z grantu NCN Sonata – nr 2018/31/D/ST4/01833.