Verbeterde atoomkrachtmicroscoop legt 3D-beelden vast van oplossende calciet

Inzicht in de oplossingsprocessen van mineralen kan belangrijke inzichten verschaffen in geochemische processen. Pogingen om enkele observaties tijdens de oplossing van calciet (CaCO₃) hebben geleid tot de hypothese dat er een hydratatielaag ontstaat, hoewel dit nog steeds wordt betwist.

Hydratatielagen zijn ook belangrijk omdat ze een rol spelen in een aantal processen, waaronder hechting, corrosie en bevochtiging, maar ook bij de vouwing, stabiliteit en herkenning van eiwitten.

Onderzoekers onder leiding van Kazuki Miyata, Adam S. Foster en Takeshi Fukuma van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) aan de Kanazawa Universiteit in Japan hebben nu met succes hun atoomkrachtmicroscoop geüpgraded, zodat ze beeldgegevens kunnen ophalen met de tijd- en ruimtelijke resolutie die nodig zijn om 3D-structuurbeelden te verkrijgen die direct bewijs leveren van de vorming van een hydratatielaag tijdens het oplossen van calciet.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Nano-brieven.

De hypothese dat er zich een hydratatielaag vormt tijdens het oplossen van calciet werd ingegeven door simulaties van het proces, die wezen op de productie van een Ca(OH)₂ een laag vormen over de “overgangsgebieden” naarmate calciet oplost.

Ondanks dat Ca(OH) instabiel is in de bulk of op vlakke terrassen,₂ kan enige stabiliteit verkrijgen uit traprandstructuren, hoewel het mechanisme hierachter niet goed begrepen wordt.

Dit zou de stabiliteit van de Ca(OH) kunnen verklaren₂ naast de randen van de treden, maar aangezien de overgangsgebieden die in experimenten werden waargenomen, meerdere nanometers beslaan, hadden de auteurs de mogelijkheid geopperd dat de Ca(OH)₂ verkrijgt zijn stabiliteit door indirecte interacties met de trede middels een hydratatiestructuur.

De onderzoekers stellen echter in hun rapport dat de effecten van hydratatie nog steeds ‘slecht begrepen’ worden, omdat er een gebrek is aan technieken om veranderingen in de grensvlakstructuren tussen vaste stoffen en vloeistoffen in beeld te brengen.

Atomic force microscopy (AFM) verkrijgt beelden met een hoge resolutie door een nanoschaal cantilever te gebruiken om het oppervlak een beetje te voelen zoals de naald van een platenspeler de groeven in vinyl voelt. Echter, ondanks een enorme stap voorwaarts in de snelheid van beeldacquisitie die kan worden bereikt met de uitvinding van high-speed (HS) AFM, heeft AFM nog steeds een beetje geleden onder een afweging tussen snelheid en ruimtelijke resolutie.

Pogingen om het toe te passen op de studie van oplossingsprocessen worden ook belemmerd omdat de tool is ontworpen om de topologieën en interacties over 2D-oppervlakken te scannen, terwijl het oplossen van mineralen gepaard gaat met structurele veranderingen in 3D.

Eerder werk had de hogere resolutie “frequentiegemoduleerde” (FM) AFM versneld, zodat de beeldacquisitietijd werd teruggebracht van een minuut tot slechts 0,5 s/frame. Deze upgrade stelde de auteurs in staat om de overgangsregio af te beelden waaruit ze de aanwezigheid van een hydratatielaag afleidden, maar er was enige extrapolatie nodig om 3D-structuurinformatie te extraheren uit de vergelijking van de 2D-AFM-gegevens met 3D-simulatie, waardoor sommigen twijfelden aan de conclusies.

Er zijn eerder al wijzigingen in AFM gedemonstreerd om 3D-krachtgegevens te extraheren met behulp van AFM. Ondanks enkele verbeteringen om de snelheid te verhogen, bleek de beeldacquisitietijd van ongeveer 1 minuut/frame echter te hoog te zijn voor het observeren van dynamische processen.

De auteurs omzeilen al deze nadelen door de HS-FM-AFM te combineren met 3D-SFM. Dit omvatte het vergroten van de bandbreedte van hun 3D-SFM terwijl een krachtresolutie van 10-100 nN, snelle synchronisatie van de signalen in de laterale scanning en derde dimensie en snelle registratie van de cantileverfrequentieverschuivingen behouden bleef. Met deze op hun plaats waren de onderzoekers in staat om 3D-SFM-beelden vast te leggen in slechts 1,6 s/frame. Ze gebruikten de aanpak om de oplossing van calciet in beeld te brengen.

“De HS-3D-SFM-beelden die in het huidige werk zijn geproduceerd, laten duidelijk de 3D-verdeling zien die door de simulaties werd voorspeld, en ondersteunen daarmee het bestaan ​​van een uitgebreide hydratatielaag”, benadrukken ze in hun rapport.