Selvmontering af nanomaterialer afbildet i realtid

Et team af forskere fra UC San Diego, Florida State University og Pacific Northwest National Laboratories har for første gang visualiseret væksten af ​​'nanoskala' kemiske komplekser i realtid, demonstrere, at processer i væsker i størrelsesordenen en milliardedel af en meter kan dokumenteres, når de sker.

Præstationen, hvilket vil muliggøre mange fremtidige fremskridt inden for nanoteknologi, er detaljeret i et papir, der blev offentliggjort online i dag i Journal of the American Chemical Society . Kemikere og materialeforskere vil kunne bruge denne nye udvikling i deres grundlæggende og anvendte forskning, for eksempel, for bedre at forstå den trinvise dannelse af nanostrukturer.

Tidligere har forskere kunne kun undersøge ændringer i nanostrukturer ved kun at se på de store ændringer af en massepopulation af partikler eller ved at tage 'skærmbilleder' på en statisk måde af individuelle nanostrukturer med elektronmikroskopi.

'Denne proces er som at tage fotos hvert 10. minut af en fodboldkamp og derefter forsøge at samle disse fotos for at fortælle historien om, hvad der virkelig er en meget dynamisk proces, sagde Nathan Gianneschi, en lektor i kemi og biokemi ved UC San Diego, der stod i spidsen for forskningsindsatsen med Seth Cohen, formand for UC San Diego's afdeling for kemi og biokemi.

'Indtil nu, dette var den nyeste teknik med hensyn til, hvordan vi kunne dokumentere, hvordan nanostrukturer dannede sig. Den udvikling, vi beskriver i vores papir, demonstrerer, at disse processer kan observeres i realtid, ved bogstaveligt talt at videoere disse processer på nanoskala -niveau ved hjælp af et elektronmikroskop. '

Udviklingen anvendte en nyligt udviklet proces kaldet Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, har længe været brugt af forskere til at afbilde nanoskala materialer og forstå nanoskala struktur. Mens fremskridt inden for Liquid Cell TEM, eller LCTEM, havde tilladt forskere at visualisere bevægelsen af ​​nanoskalaobjekter i væsker, forskere havde endnu ikke fundet ud af en måde at bruge den til at visualisere væksten af ​​komplekse selvsamlede, kemiske nanostrukturer.

'Vi viste for første gang, at denne teknik kan bruges til at observere væksten af ​​komplekse organisk-uorganiske hybridmaterialer, giver en hidtil uset forståelse af deres dannelse, sagde Gianneschi. 'Denne demonstration markerer et betydeligt skridt fremad i LCTEM, der bliver afgørende for vores forståelse af nanoskala -processer for alle materialer i væsker.'

Forskerteamet omfattede Joseph Patterson og Michael Denny fra UC San Diego, Patricia Abellan, Nigel Browning og James Evans fra Pacific Northwest National Laboratory og Chiwoo Park i Florida State. Patterson, den første forfatter til papiret, lavede al Liquid Cell Transmission Microscopy på instrumenter ved UC San Diego og PNNL med bistand fra Evans, som er ekspert i teknikken, mens Park var ansvarlig for videoanalysen.

For at gøre tingene enkle, forskerne begyndte oprindeligt at studere et kemisk system, der vides at samle med et begrænset antal komponenter og give anledning til veldefinerede materialer.

'Vi betragtede metal-organiske rammer som det perfekte udgangspunkt for dette, fordi de giver ordnede strukturer gennem en samlingsproces og inkluderer organiske og uorganiske komponenter, sagde Gianneschi. 'Det første trin var at afgøre, om disse nanostrukturer ville overleve forsøget. Dette er nødvendigt, fordi materialer er modtagelige for at blive ødelagt af elektronen med høj energi, der bruges til at forestille dem. Når disse betingelser var fastlagt, vi kunne derefter flyde komponenter ind i TEM -instrumentet, i opløsningsmiddel, og se, hvordan samlingsprocessen fandt sted. Dette blev muliggjort ved hjælp af en speciel prøvecelleholder til TEM, der tillod os at lægge væsker i et kammer, i højvakuuminstrumentet. Vi kunne derefter billede gennem kammeret, for at se, hvad der er indeni. '

Forskernes demonstration af, at sådanne kemiske komplekser kan afbildes i realtid, tyder på, at de komplekse processer i andre 'sarte selvsamlinger' kunne belyses mere detaljeret, såsom biologisk producerede kemikalier og vira, som er mere end tusind gange mindre end bakterier.

'Dette fremskridt giver et værktøj til at observere materiale, da det samles med opløsninger, der kun er mulig ved hjælp af elektronmikroskopi, Sagde Gianneschi. 'Det er, længdeskalaer kan observeres, der er relevante for nanoskala materialer og processer. Med hensyn til billeddynamik som denne, vi tror, ​​det vil påvirke, hvordan nanoteknologi udvikles i fremtiden. '