Ny elektronmikroskopiteknik giver første kig på tidligere skjulte processer

Nordvestlige forskere har udviklet en ny mikroskopimetode, der gør det muligt for forskere at se byggestenene i "smarte" materialer, der dannes på nanoskalaen.

Den kemiske proces skal ændre fremtiden for rent vand og medicin, og for første gang vil folk kunne se processen i aktion.

"Vores metode giver os mulighed for at visualisere denne klasse af polymerisering i realtid, på nanoskala, som aldrig er blevet gjort før, "sagde Northwestern's Nathan Gianneschi." Vi har nu mulighed for at se reaktionen finde sted, se disse nanostrukturer blive dannet, og lære at drage fordel af de utrolige ting, de kan gøre. "

Forskningen blev offentliggjort i dag (22. december) i tidsskriftet Stof .

Papiret er resultatet af et samarbejde mellem Gianneschi, associeret direktør for International Institute for Nanotechnology og Jacob og Rosalind Cohn professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences, og Brent Sumerlin, George og Josephine Butler Professor i Polymerkemi ved College of Liberal Arts &Sciences ved University of Florida.

Dispersionspolymerisering er en almindelig videnskabelig proces, der bruges til fremstilling af medicin, kosmetik, latex og andre ting, ofte i industriel skala. Og på nanoskalaen, polymerisation kan bruges til at skabe nanopartikler med unikke og værdifulde egenskaber.

Disse nanomaterialer har et stort løfte for miljøet, hvor de kan bruges til at opsuge olieudslip eller andre forurenende stoffer uden at skade havlivet. I medicin, som grundlaget for "smarte" lægemiddelleveringssystemer, den kan designes til at komme ind i menneskelige celler og frigive terapeutiske molekyler under bestemte betingelser.

Der har været vanskeligheder med at skalere produktionen af ​​disse materialer. I første omgang, produktionen blev hæmmet af den tidskrævende proces, der kræves for at oprette og derefter aktivere dem. En teknik kaldet polymerisationsinduceret selvsamling (PISA) kombinerer trin og sparer tid, men molekylernes adfærd under denne proces har vist sig at være svær at forudsige af en enkel grund:Forskere var ude af stand til at observere, hvad der faktisk skete.

Reaktioner på nanoskala er alt for små til at blive set med det blotte øje. Traditionelle billeddannelsesmetoder kan kun fange slutresultatet af polymerisation, ikke den proces, hvormed det sker. Forskere har forsøgt at omgå dette ved at tage prøver på forskellige punkter i processen og analysere dem, men kun brug af snapshots kunne ikke fortælle hele historien om kemiske og fysiske ændringer, der forekommer under hele processen.

"Det er som at sammenligne et par fotos af en fodboldkamp med oplysningerne i en video af hele kampen, "sagde Gianneschi." Hvis du forstår den vej, hvormed et kemikalie dannes, hvis du kan se, hvordan det skete, så kan du lære at fremskynde det, og du kan finde ud af at forstyrre processen, så du får en anden effekt. "

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) er i stand til at tage billeder med en sub-nanometeropløsning, men det bruges generelt til frosne prøver, og håndterer ikke også kemiske reaktioner. Med TEM, en elektronstråle affyres gennem et vakuum, mod emnet; ved at studere elektronerne, der kommer ud på den anden side, et billede kan udvikles. Imidlertid, billedets kvalitet afhænger af, hvor mange elektroner der affyres af strålen - og affyring af for mange elektroner vil påvirke resultatet af den kemiske reaktion. Med andre ord, det er et tilfælde af observatøreffekten-at se selvsamlingen kan ændre eller endda skade selvsamlingen. Det, du ender med, er forskelligt fra, hvad du ville have haft, hvis du ikke så på.

For at løse problemet, forskerne indsatte nanoskala polymermaterialerne i en lukket flydende celle, der ville beskytte materialerne mod vakuum inde i elektronmikroskopet. Disse materialer er designet til at reagere på ændringer i temperatur, så selvsamlingen ville begynde, når indersiden af ​​væskecellen nåede en indstillet temperatur.

Væskecellen var indesluttet i en siliciumchip med små, men kraftfuld, elektroder, der fungerer som varmeelementer. Indbygget i chippen er et lille vindue-200 x 50 nanometer stort-der ville tillade en lavenergistråle at passere gennem flydende celle.

Med chippen indsat i holderen af ​​elektronmikroskopet, temperaturen inde i flydende celle stiger til 60˚C, igangsættelse af selvsamlingen. Gennem det lille vindue, blokcopolymerernes adfærd og dannelsesprocessen kunne registreres.

Da processen var færdig, Gianneschis team testede de resulterende nanomaterialer og fandt, at de var de samme som sammenlignelige nanomaterialer produceret uden for en flydende celle. Dette bekræftede, at teknikken-som de kalder variabel temperatur væske-celletransmissionselektronmikroskopi (VC-LCTEM)-kan bruges til at forstå nanoskala-polymeriseringsprocessen, som den forekommer under almindelige forhold.

Af særlig interesse er de former, der genereres under polymerisation. På forskellige stadier kan nanopartiklerne ligne kugler, orme eller vandmænd - som hver især tildeler nanomaterialet forskellige egenskaber. Ved at forstå, hvad der sker under selvsamling, kan forskere begynde at udvikle metoder til at fremkalde specifikke former og justere deres virkninger.

"Disse indviklede og veldefinerede nanopartikler udvikler sig over tid, dannelse og derefter morphing, når de vokser, "Det er utroligt, at vi kan se både hvordan og hvornår disse overgange sker i realtid."

Gianneschi mener, at indsigt fra denne teknik vil føre til hidtil usete muligheder for udvikling og karakterisering af selvorganiserende materialer i blødt stof-og videnskabelige discipliner ud over kemi.

"Vi tror, ​​at dette også kan blive et værktøj, der er nyttigt inden for strukturbiologi og materialevidenskab, "sagde Gianneschi." Ved at integrere dette med maskinlæringsalgoritmer til at analysere billederne, og fortsætter med at forfine og forbedre opløsningen, Vi kommer til at have en teknik, der kan fremme vores forståelse af polymerisering på nanoskalaen og styre designet af nanomaterialer, der potentielt kan transformere medicin og miljø. "