Se nanomaterialer dannes i 4-D

Da de berømte fysikere Max Knoll og Ernst Ruska først introducerede transmissionselektronmikroskopet (TEM) i 1933, det gjorde det muligt for forskere at kigge ind i celler, mikroorganismer og partikler, der engang var for små til at studere.

I årtier, disse højtydende instrumenter havde været begrænset til at tage statiske snapshots af prøver, som kun fortæller en del af historien. Nu er forskere fra Northwestern University og University of Florida ved at udfylde de tomme felter for at gøre denne historie mere komplet.

Teamet er en del af en indsats for at udvikle en ny type TEM, der kræver dynamisk, multi-frame videoer af nanopartikler, når de dannes, giver forskere mulighed for at se, hvordan prøver ændrer sig i rum og tid. At vide, hvordan disse partikler dannes, kan ændre, hvordan forskere designer fremtidige lægemiddelleveringssystemer, maling, belægninger, smøremidler og andre materialer, for hvilke at have kontrol over egenskaber i nanoskala kan føre til store effekter på materialer i makroskala.

"Vi har vist, at TEM ikke behøver at være en mikroskopimetode, der udelukkende bruges til at analysere, hvad der skete efter kendsgerningen - efter en reaktion slutter, " sagde Nathan Gianneschi, professor i kemi, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik på Northwestern, som var med til at lede undersøgelsen. "Men, hellere, at det kan bruges til at visualisere reaktioner, mens de opstår."

"Før, vi havde lige et øjebliksbillede af, hvordan tingene så ud i bestemte tilfælde af tid, " sagde Brent Sumerlin, George Bergen Butler professor i kemi ved University of Florida, der ledede undersøgelsen sammen med Gianneschi. "Nu, vi begynder at se udviklingen af ​​materialer i realtid, så vi kan se, hvordan transformationer opstår. Det er åndssvagt."

Forskningen blev offentliggjort i dag, 25. april, i journalen ACS Central Science . Mollie A. Touve, en kandidatstuderende i Gianneschis laboratorium, er avisens første forfatter.

Gianneschi og Sumerlins nye teknologi har tre hovedkomponenter:polymerisationsinduceret selvsamling (PISA), et robotsystem, der samler eksperimenterne og et kamera fastgjort til mikroskopet, der fanger partiklerne, når de dannes og ændres.

En ekspert i PISA, Sumerlin har længe brugt teknikken, som fremstiller store mængder af veldefinerede bløde materialer, i sit laboratorium. Han bruger specifikt PISA til at danne selvsamlende miceller, en type sfærisk nanomateriale med mange anvendelsesmuligheder – fra sæber til målrettet medicinafgivelse.

Selvom miceller er kendt for at have interessante funktioner, der er videnshuller i, hvordan de faktisk dannes. Gianneschi og Sumerlin spekulerede på, om de kunne bruge et elektronmikroskop til at se miceller – i aktion – mens de samler sig selv med PISA.

"Fordi disse materialer er på nanometerlængdeskalaen, vi havde åbenbart brug for et elektronmikroskop for at observere dem, " sagde Gianneschi, medlem af Northwesterns International Institute of Nanotechnology. "Så, i det væsentlige, vi ville bruge elektronmikroskopet som et reagensglas."

Med høj præcision og reproducerbarhed, holdets robotsystem samlede alle de kemikalier, der var nødvendige for at fremstille partiklerne. Derefter, mikroskopets elektronstråle udløste en reaktion, der fik micellerne til at begynde at dannes. Selvom Gianneschis kamerasystem ikke fangede hele micellernes transformation, det gjorde det muligt for forskerne at se en del af det.

"Jeg er glædeligt overrasket over, at vi klarede denne del, " sagde Gianneschi. "Men at optimere systemet - så vi kan se hele reaktionens bane - vil holde os beskæftiget i de næste par år."

Stadig, Gianneschi og Sumerlin er glade for, at de har introduceret et vigtigt element til elektronmikroskopi:tid. Gianneschi sammenligner deres præstation med madlavningsprocessen.

"Forestil dig at lave aftensmad uden at kunne se det, " sagde han. "Du kan følge opskriften, men du ved ikke rigtig, hvordan det går. Man kan ikke se kødet brune på komfuret eller dejen hæve. Du skal kunne observere det direkte. Det tager vi for givet i det normale liv."

"Med traditionel kemisk analyse, nogle gange er output en todimensionel linje med nogle få toppe og dale, og vi bruger det til at få en idé om, hvad der sker, " tilføjede Sumerlin. "Men nu laver vi faktisk nanostrukturer og ser dem dannes. Det er en stor forandring."