Forskere bringer polymerer i fokus på atomskala

Fra vandflasker og madbeholdere til legetøj og slanger, mange moderne materialer er lavet af plast. Og mens vi producerer omkring 110 millioner tons om året af syntetiske polymerer som polyethylen og polypropylen på verdensplan til disse plastprodukter, der er stadig mysterier om polymerer på atomær skala.

På grund af vanskeligheden ved at tage billeder af disse materialer i små skalaer, billeder af individuelle atomer i polymerer er kun blevet realiseret i computersimuleringer og illustrationer, for eksempel.

Nu, et forskerhold ledet af Nitash Balsara, en senior fakultetsforsker i Materials Sciences Division ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved UC Berkeley, har tilpasset en kraftfuld elektronbaseret billeddannelsesteknik for at opnå et billede af atomskalastruktur i en syntetisk polymer. Holdet omfattede forskere fra Berkeley Lab og UC Berkeley.

Forskningen kan i sidste ende informere polymerfremstillingsmetoder og føre til nye designs for materialer og enheder, der inkorporerer polymerer.

I deres undersøgelse, offentliggjort i American Chemical Society's Makromolekyler tidsskrift, forskerne beskriver udviklingen af ​​en kryogen elektronmikroskopi-billeddannelsesteknik, hjulpet af computeriserede simuleringer og sorteringsteknikker, der identificerede 35 arrangementer af krystalstrukturer i en peptoid polymerprøve. Peptoider er syntetisk fremstillede molekyler, der efterligner biologiske molekyler, herunder kæder af aminosyrer kendt som peptider.

Prøven blev robotsyntetiseret på Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science-brugerfacilitet til nanovidenskabsforskning. Forskere dannede ark af krystalliserede polymerer, der målte omkring 5 nanometer (milliarddele af en meter) i tykkelse, når de blev spredt i vand.

"Vi udførte vores eksperimenter på de mest perfekte polymermolekyler, vi kunne lave, "Balsara sagde - peptoidprøverne i undersøgelsen var ekstremt rene sammenlignet med typiske syntetiske polymerer.

Forskerholdet skabte små flager af peptoid nanoark, frøs dem for at bevare deres struktur, og afbildede dem derefter ved hjælp af en elektronstråle. En iboende udfordring i billeddannelsesmaterialer med en blød struktur, såsom polymerer, er, at den stråle, der bruges til at tage billeder, også beskadiger prøverne.

De direkte kryogene elektronmikroskopibilleder, opnået ved at bruge meget få elektroner for at minimere stråleskader, er for slørede til at afsløre individuelle atomer. Forskere opnåede en opløsning på omkring 2 ångstrøm, som er to tiendedele nanometer (milliard af en meter), eller omtrent dobbelt så stor som et hydrogenatoms diameter.

Det opnåede de ved at overtage 500, 000 slørede billeder, sortering af forskellige motiver i forskellige "spande", " og gennemsnittet af billederne i hver beholder. De sorteringsmetoder, de brugte, var baseret på algoritmer udviklet af det strukturelle biologisamfund til at afbilde proteiners atomare struktur.

"Vi udnyttede teknologien, som de protein-billeddannende folk havde udviklet, og udvidede den til menneskeskabt, bløde materialer, " sagde Balsara. "Først da vi sorterede dem og satte et gennemsnit af dem, blev den sløret tydelig."

Før disse billeder i høj opløsning, Balsara sagde, arrangementet og variationen af ​​de forskellige typer af krystalstrukturer var ukendt.

"Vi vidste, at der var mange motiver, men de er alle forskellige fra hinanden på måder, vi ikke kendte, " sagde han. "Faktisk, selv det dominerende motiv i peptoidarket var en overraskelse."

Balsara krediterede Ken Downing, en seniorforsker i Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division, der døde i august, og Xi Jiang, en projektforsker i Materials Sciences Division, for at fange de højkvalitetsbilleder, der var centrale i undersøgelsen og for at udvikle de algoritmer, der er nødvendige for at opnå atomopløsning i polymerbilleddannelsen.

Deres ekspertise i kryogen elektronmikroskopi blev suppleret af Ron Zuckermanns evne til at syntetisere modelpeptoider, David Prendergasts viden om molekylær dynamik simuleringer, der er nødvendige for at fortolke billederne, Andrew Minors ekspertise i billeddannelse af metaller på atomær skala, og Balsaras erfaring inden for polymervidenskab.

På Molecular Foundry, Zuckermann leder anlægget for biologiske nanostrukturer, Prendergast leder teorianlægget, and Minor leder National Center for Electron Microscopy og er også professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. Meget af kryo-elektron-billeddannelsen blev udført på UC Berkeleys Krios mikroskopi facilitet. Meget af kryo-elektron-billeddannelsen blev udført på UC Berkeleys Krios mikroskopi facilitet.

Balsara sagde, at hans egen forskning i at bruge polymerer til batterier og andre elektrokemiske enheder kunne drage fordel af forskningen, som at se placeringen af ​​polymeratomer i høj grad kunne hjælpe med design af materialer til disse enheder.

Atom-skala billeder af polymerer brugt i hverdagen kan have brug for mere sofistikerede, automatiserede filtreringsmekanismer, der er afhængige af maskinlæring, for eksempel.

"Vi burde være i stand til at bestemme strukturen i atomare skala af en lang række syntetiske polymerer såsom kommerciel polyethylen og polypropylen, udnyttelse af den hurtige udvikling inden for områder som kunstig intelligens, ved at bruge denne tilgang, " sagde Balsara.

Bestemmelse af krystalstrukturer kan give vital information til andre applikationer, såsom udvikling af lægemidler, da forskellige krystalmotiver kunne producere helt forskellige bindingsegenskaber og terapeutiske virkninger, for eksempel.