Надеясь найти новые способы борьбы с загрязнением окружающей среды, физик из Университета Висконсин-Милуоки (UWM) разработал несколько новых способов наблюдения за тем, что происходит внутри клетки, когда она вступает в контакт с загрязнителями или токсичными веществами. коснуться почвы и воды.
Молекулы и электроны объекта всегда находятся в движении, вибрируя и покачиваясь.
Кэрол Хиршмугл, адъюнкт-профессор физики, отслеживает, что происходит с молекулами, когда они встречаются с поверхностью определенного материала или перемещаются в живой клетке, используя преимущества этих вибраций и используя их для картирования движения химических веществ. внутри молекул.
Прежде чем она сможет стать свидетелем какого-либо действия, она должна обнаружить все задействованные части. Используя устройство, называемое синхротроном, Хиршмугль может исследовать то, что она не могла сделать с помощью обычного микроскопа. Синхротрон излучает энергию на всех спектральных частотах, от инфракрасного (ИК) до рентгеновского. Инфракрасный свет, который использует Хиршмугль, интенсивен, но не виден человеческому глазу.
ИК показывает вибрации молекул в клетке, которые действуют как «сигнатуры», позволяя Хиршмугль идентифицировать материал, с которым она работает. Она использует эту технику, чтобы наблюдать, как водоросли переваривают углекислый газ (и выделяют кислород), что имеет значение для борьбы с загрязнением воздуха.
В своей работе с водорослями она изучает распределение белков, липидов и углеводов, молекул, которые играют важную роль в метаболизме пищи организма (фотосинтез). Это важно для полного понимания процесса, который так тесно связан с дыханием человека и здоровьем окружающей среды.
«Поскольку водоросли потребляют много CO2, - говорит она, - нас интересует, что происходит, когда вы меняете условия окружающей среды. Мы хотим посмотреть, как меняется их биологический состав при воздействии скажем, загрязнение стоками."
Недавно финансируемый Национальным научным фондом, Hirschmugl будет разрабатывать новые способы «увидеть», как водоросли реагируют на окружающую среду.
"Тогда я поднимаю вопрос еще на один шаг и смотрю, как меняется распределение его частей из-за взаимодействия с нитратами или аммонием, которые поступают из стоков удобрений или сточных вод."
Ее конечная цель - увидеть, как на самом деле происходят внутренние изменения в живом образце.
Электроны ведут себя безумно
Во втором проекте по визуализации Хиршмугль наблюдает за расположением определенных молекул на твердой поверхности, вновь обращая внимание на волновые свойства электронов.
«То, что мы наблюдаем, намного меньше длины волны света», - говорит физик UWM Дилано Салдин, который сотрудничает с Хиршмуглом. «Это невозможно увидеть глазом. Поэтому нам нужно изучить распределение энергии электронов, рассеянных от поверхности».
Техника, которую использует Хиршмугль, представляет собой модифицированный метод дифракции низкоэнергетических электронов (ДМЭ). Направляя крошечный пучок электронов на поверхность и используя чувствительную детекторную пластину, она создает визуальную картину того, как электроны рассеиваются во всех направлениях и в конечном итоге попадают на пластину. После тщательного анализа полученный рисунок может выявить структуру материала поверхности.
Зачем идти на все эти проблемы? Чтобы раскрыть работу атомного мира, говорит Салдин, чей опыт включает в себя интерпретацию узоров, созданных рассеянными электронами. Поскольку что-то столь крошечное, как молекула, невозможно увидеть, трудно наблюдать за ее поведением в различных условиях.
И изменения происходят. А на атомном уровне взаимодействие материалов на поверхности может вызывать необычные молекулярные перестройки, которые изменяют поведение материалов. И большинство взаимодействий твердого тела с окружающей средой происходит на поверхности.
Такого рода превращения стоят, например, за процессом коррозии металлов.
Целью исследований поверхности Хиршмугля является изучение поведения молекул воды, когда они вступают в контакт с оксидной поверхностью, такой как почва. Динамика этого не совсем понятна, но может быть полезной для определения того, как загрязняющие вещества проходят через почву.
Вдохновением для исследования Хиршмугля является тот факт, что вода и почва взаимодействуют непредсказуемым образом, в зависимости от того, какие атомы в воде касаются поверхности оксида.
«Вода и почва представляют собой совершенно разные интерфейсы», - говорит она. «Я хочу знать, что будет дальше. Молекулы воды распадаются или остаются целыми?
"С помощью этих методов мы получаем доступ к динамике молекул и статике (местоположению) одновременно."