纳米级尺度水的行为？——别急，先进的显微技术将为你揭秘！

图为氮化硼电池的原理图。图片来源：伊利诺伊大学芝加哥分校

伊利诺伊大学芝加哥分校开发的一种新的显微镜技术，首次使研究人员能够在纳米级别上观察液体，这种显微镜的分辨率大约是传统透射电子显微镜的10倍。

利用传统的透射电子显微镜和光谱学技术，通过在两层二维氮化硼之间捕捉微小的液体分子，可以将液体样品以极高的分辨率成像。这种方法可以提供关于单个分子振动状态的信息。

这项新技术可用于跟踪生物研究中的纳米级示踪剂，并以其前所未有的分辨率实现液-固界面上的可视化过程。研究人员利用特殊样本容器，或氮化硼液体电池，描述了水和重水在纳米级上的独特特性。该研究结果发表在“Advanced Materials”杂志上。

UIC大学物理学教授、该论文的重要作者Robert Klie说:“虽然把注意力集中在像水这样似乎很容易理解的东西上貌似有些奇怪，但当它被限制在纳米尺度上时，仍然有一些东西我们不了解。此外在能源、催化、化学和生物领域，有如此多的应用依赖于纳米级的水的相互作用，而我们还无法用现有的测量技术来可视化这些作用过程。”

“利用我们开发的特殊电池，我们可以观察水的振动行为，并开始探索它是如何在氮化硼层内发挥作用的。”该论文的通讯作者、UIC大学物理系博士后研究员Jacob Jokisaari说。

首先，研究人员必须解决如何在透射电子显微镜前分离少量液体的问题。正常情况下，样品必须被冷冻或包裹在环氧树脂中，然后切成超薄片，然后被置于电子束下，而用户在样品蒸发前只有几秒钟的时间拍照。

Klie说:“我们想要观察少量的液体，并且在不影响测量的情况下，我们转向用纳米材料来封装和保持液体。由于二维材料只由一层原子组成，它们几乎不会影响用来液体成像的电子束，但它们的强度足以将液体气泡保持在显微镜的真空环境中。”

在测试了几种二维材料后，研究人员最终确定了氮化硼的纳米层。这种材料能够容纳水分子，并且对振动的水分子所产生的红外辐射是透明的。但过程很缓慢。

“这些都是非常微小和脆弱的材料——仅仅学会如何持有和操作它们就花费了几个月的时间，”Klie 说。

这个团队花了将近四年的时间，才能将水和它的族系以及重水夹入在氮化硼层之间，并放在透射电子显微镜的特定位置。

Klie 说：“我们可以用显微镜把能量分辨率降低到350毫伏，但我们知道我们需要更高的分辨率来测量水的振动特性。”我们需要更好的显微镜。电子伏特是可以用来描述振动粒子能量的测量单位。

该研究小组将他们的氮化硼电池带到了位于田纳西州的能源部橡树岭国家实验室，在那里，美国能源部科学用户实验室(DOE)的纳米相材料科学中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的研究人员可以使用具有世界最佳能源分辨率的扫描透射电子显微镜。利用这台显微镜，Klie和他的同事们能够看到，当以微小的数量分离水时，水的行为是不同的。

橡树岭国家实验室的博士后研究员、论文作者Jordan Hachtel说:“我们发现，当我们的电池中含有少量的液体时候，它的振动频率会发生变化。”

正常情况下，大多数的水在420毫伏时振动，但是Klie观察到被困在电池中的水在406毫伏时就会振动。

研究人员使用高能分辨率电子显微镜来观察重水。重水不是两个氢原子和一个氧原子结合在一起，而是氢被重于氢的氘取代。重水常被用来标记实验中重要的分子。虽然人们能够识别电池中重水的位置，但是用Kile的新技术所提供的分辨率进行可视化的操作还是前所未有的。

以前的工作是在宏观或微米的水平上研究水的电化学特性，在这种水平下，水的性质是大体积下的平均属性。但是，在足够小的范围内观察电化学反应时，它们的表现却大不相同。

Jokisaari说:“目前为止，在纳米级上观察水是如何与其他物质结合并相互作用的，比如水与其他物质接触的界面，或者在水里发生的相互作用，例如金属的腐蚀等都是不可能的。”“这项工作为电化学和原子水平的检验铺平了道路，而基于计算机建模的理论已经在实验技术之前形成了。”

Klie说:“这种新的电子显微镜技术能让我们观察到在纳米级的液体环境中发生的物理和化学过程，这比其他现有方法所能测量到的体积都要小得多。在如此小的范围内，我们认为某些东西的行为表现是最基本的，例如水，会随着单个原子键、局部电场和表面的距离而发生变化，开始影响它的正常行为。”

原文来自sciencedaily.原文题目：Advanced microscopy technique reveals new aspects of water at the nanoscale level，由材料科技在线团队翻译整理。