Microscópio de força atômica atualizado captura imagens 3D de dissolução de calcita

Entender os processos de dissolução de minerais pode fornecer insights importantes sobre processos geoquímicos. Tentativas de explicar algumas das observações durante a dissolução de calcita (CaCO₃) levaram à hipótese de que uma camada de hidratação se forma, embora isso tenha sido contestado.

As camadas de hidratação também são importantes, pois desempenham um papel em vários processos, incluindo adesão, corrosão e umedecimento, bem como no dobramento, estabilidade e reconhecimento de proteínas.

Agora, pesquisadores liderados por Kazuki Miyata, Adam S. Foster e Takeshi Fukuma do Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) da Universidade de Kanazawa, no Japão, atualizaram com sucesso seu microscópio de força atômica para recuperar dados de imagem com o tempo e a resolução espacial necessários para obter imagens de estrutura 3D que fornecem evidências diretas da formação de uma camada de hidratação durante a dissolução da calcita.

A pesquisa foi publicada na revista Letras Nano.

A hipótese da formação de uma camada de hidratação durante a dissolução da calcita foi motivada por simulações do processo, que apontaram para a produção de um Ca(OH)₂ camada através de “regiões de transição” à medida que a calcita se dissolve.

Apesar de ser instável no volume ou em terraços planos, Ca(OH)₂ pode apropriar-se de alguma estabilidade de estruturas de bordas de degraus, embora o mecanismo por trás disso não seja bem compreendido.

Isso poderia explicar a estabilidade do Ca(OH)₂ próximo às bordas dos degraus, mas como as regiões de transição observadas nos experimentos abrangem vários nanômetros, os autores postularam a possibilidade de que o Ca(OH)₂ adquire sua estabilidade por meio de interações indiretas com o degrau por meio de uma estrutura de hidratação.

No entanto, como os pesquisadores apontam em seu relatório, os efeitos da hidratação continuam “mal compreendidos”, pois faltam técnicas para geração de imagens de mudanças em estruturas interfaciais sólido-líquido.

A microscopia de força atômica (AFM) obtém imagens de alta resolução usando um cantilever em nanoescala para sentir a superfície um pouco como a agulha de um toca-discos sente as ranhuras no vinil. No entanto, apesar de uma grande mudança na taxa de aquisição de imagens que pode ser alcançada com a invenção do AFM de alta velocidade (HS), o AFM ainda sofreu um pouco com uma troca entre velocidade e resolução espacial.

Os esforços para aplicá-lo ao estudo de processos de dissolução também são dificultados porque a ferramenta é projetada para escanear topologias e interações em superfícies 2D, e a dissolução de minerais envolve mudanças estruturais 3D.

Trabalhos anteriores aceleraram o AFM “modulado em frequência” (FM) de alta resolução, de modo que o tempo de aquisição da imagem foi reduzido de um minuto para apenas 0,5 s/quadro. Essa atualização permitiu que os autores fizessem imagens da região de transição da qual inferiram a presença de uma camada de hidratação, mas alguma extrapolação foi necessária para extrair informações da estrutura 3D da comparação dos dados 2D-AFM com a simulação 3D, deixando alguns a duvidar das conclusões.

Modificações do AFM para extrair dados de força 3D usando AFM foram demonstradas anteriormente, embora, mais uma vez, apesar de algumas melhorias para acelerar as coisas, para cerca de 1 minuto/quadro o tempo de aquisição de imagem permaneceu proibitivo para observar processos dinâmicos.

Os autores contornam todas essas desvantagens combinando o HS-FM-AFM com o 3D-SFM. Isso envolveu aumentar a largura de banda do 3D-SFM, mantendo uma resolução de força de 10-100 nN, sincronização rápida dos sinais na varredura lateral e terceira dimensão, e gravação rápida das mudanças de frequência do cantilever. Com isso em prática, os pesquisadores conseguiram capturar imagens 3D-SFM em apenas 1,6 s/quadro. Eles usaram a abordagem para obter imagens da dissolução da calcita.

“As imagens HS-3D-SFM produzidas no presente trabalho mostram claramente a distribuição 3D prevista pelas simulações, apoiando assim a existência de uma camada de hidratação estendida”, eles apontam em seu relatório.