升级的原子力显微镜捕获方解石溶解的3D图像

了解矿物的溶解过程可以为地球化学过程提供关键见解。试图解释方解石（CaCO3）溶解过程中的一些观察结果，导致了水合层形成的假设，尽管这有争议

水合层也很重要，因为它们在许多过程中发挥作用，包括粘附、腐蚀和润湿，以及蛋白质的折叠、稳定性和识别

现在，由日本金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的Kazuki Miyata、Adam S.Foster和Takeshi Fukuma领导的研究人员成功升级了他们的原子力显微镜，以获得所需的时间和空间分辨率的成像数据，从而获得3D结构图像，为方解石溶解过程中形成水合层提供直接证据

这项研究发表在《纳米快报》杂志上

方解石溶解过程中形成水合层的假设是由该过程的模拟提出的，该过程表明，当方解石溶解时，会在“过渡区域”产生Ca（OH）2层

尽管Ca（OH）2在块状或平坦阶地上不稳定，但它可以从台阶边缘结构中获得一些稳定性，尽管其背后的机制尚不清楚

这可以解释台阶边缘附近的Ca（OH）2的稳定性，但由于实验中观察到的过渡区域跨越了几纳米，作者提出了Ca（OH”2通过水合结构与台阶的间接相互作用获得稳定性的可能性

然而，正如研究人员在他们的报告中指出的那样，由于缺乏对固液界面结构变化进行成像的技术，水合效应仍然“知之甚少”

原子力显微镜（AFM）通过使用纳米级悬臂来感觉表面，有点像录音机的针感觉乙烯基中的凹槽，从而获得高分辨率图像。然而，尽管高速（HS）AFM的发明可以实现图像采集速率的巨大变化，但AFM仍然受到速度和空间分辨率之间权衡的影响

将其应用于溶解过程研究的努力也受到阻碍，因为该工具旨在扫描二维表面的拓扑结构和相互作用，而矿物的溶解涉及三维结构变化

之前的工作加快了更高分辨率的“调频”（FM）AFM，使图像采集时间从一分钟缩短到仅0.5秒/帧。这一升级使作者能够对过渡区域进行成像，从中推断出水合层的存在，但需要一些外推来从2D-AFM数据与3D模拟的比较中提取3D结构信息，这让一些人对结论产生了怀疑

之前已经证明了使用AFM对AFM进行修改以提取3D力数据，尽管再次进行了一些改进以加快速度，但图像采集时间仍然高达约1分钟/帧，无法观察动态过程

作者通过将HS-FM-AFM与3D-SFM相结合来克服所有这些缺点。这涉及增加3D-SFM的带宽，同时保持10-100nN的力分辨率，横向扫描和三维信号的快速同步，以及悬臂频率偏移的快速记录。有了这些，研究人员能够在1.6秒/帧的时间内捕获3D-SFM图像。他们使用这种方法对方解石的溶解进行成像

他们在报告中指出：“本研究中产生的HS-3D-SFM图像清楚地显示了模拟预测的3D分布，从而支持了扩展水合层的存在。” More information: Kazuki Miyata et al, High-Speed Three-Dimensional Scanning Force Microscopy Visualization of Subnanoscale Hydration Structures on Dissolving Calcite Step Edges, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02368

Journal information: Nano Letters