Monte Carlo-simuleringer sætter nyt fokus på elektronmikroskopi

Med højt specialiserede instrumenter kan vi se materialer på nanoskala - men vi kan ikke se, hvad mange af dem gør. Det begrænser forskernes evne til at udvikle nye terapier og nye teknologier, der udnytter deres usædvanlige egenskaber.

Nu bruger en ny metode udviklet af forskere ved Northwestern University Monte Carlo-simuleringer til at udvide mulighederne for transmissionselektronmikroskopi og besvare grundlæggende spørgsmål inden for polymervidenskab.

"Dette har været et udækket behov inden for kemi og materialevidenskab," sagde Northwesterns Nathan C. Gianneschi, der ledede forskningen. "Vi kan nu se på nanomaterialer i organiske opløsningsmidler og se disse dynamiske systemer samle sig selv, transformere og reagere på stimuli. Vores resultater vil give en værdifuld guide til forskere inden for mikroskopi."

Forskningen blev offentliggjort online i dag (17. februar) i tidsskriftet Cell Reports Physical Science .

Gianneschi er Jacob og Rosaline Cohn-professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og associeret direktør for International Institute for Nanotechnology. Joanna Korpanty, en kandidatstuderende i Gianneschis laboratorium, er avisens første forfatter.

Begrænsninger for billedbehandling

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) giver forskere mulighed for at se materialer på nanoskala, som er mindre end bølgelængden af ​​synligt lys. Mikroskopet affyrer en elektronstråle mod en prøve, som holdes i et vakuum; ved at studere, hvordan elektronerne spredes fra prøven, kan et billede fremkaldes.

Denne grundlæggende billeddannelsesteknik har dog begrænsninger. Udtørring af en prøve til brug i vakuum af TEM vil forvride dens udseende og kan ikke bruges til prøver, der findes i en flydende opløsning eller organisk opløsningsmiddel. Cryogenic-TEM giver forskere mulighed for at undersøge prøver, der er blevet frosset i en opløsning, men det tillader ikke forskere at se prøverne reagere på varme, kemikalier og andre stimuli.

Det er et stort problem for studiet af strålingsfølsomme bløde nanomaterialer, som er enormt lovende til applikationer som "smarte" lægemiddelleveringssystemer, katalyse og ultratynde film. For at udnytte deres potentiale skal forskerne se, hvordan disse nanomaterialer opfører sig under forskellige forhold – men konventionel TEM og kryo-TEM kan kun vise de udtørrede eller frosne eftervirkninger.

Liquid-cell TEM (LCTEM) er et forsøg på at løse det. Northwestern har været stedet for adskillige fremskridt inden for dette hurtigt udviklende område af mikroskopi, som indsætter solvatiseret nanoskala materialer i en lukket væskecelle, der beskytter dem mod vakuumet i mikroskopet. Væskecellen er indesluttet i en siliciumchip med små, men kraftige elektroder, der kan tjene som varmeelementer til at fremkalde termiske reaktioner, og chippen har et lille vindue - 200 x 50 nanometer i størrelse - der tillader en elektronstråle at passere gennem væsken celle og opret billedet.

Men at blive ramt af en elektronstråle vil efterlade et mærke. I dette tilfælde ville brug af flere elektroner føre til et klarere billede - da der ville være flere af dem at sprede - men det ville også føre til et beskadiget eksemplar, især i tilfælde af strålingsfølsomme bløde nanomaterialer. At suspendere prøven i et organisk opløsningsmiddel kunne beskytte den mod beskadigelse, men man ved ikke meget om, hvordan elektronstråler interagerer med forskellige opløsningsmidler.

Det er her Monte Carlo kommer ind.

"Der er ingen anden billeddannelse, der giver os dette niveau af forståelse"

Monte Carlo-simuleringer bruges til at forudsige udfald af meget usikre begivenheder. Opkaldt efter middelhavskasinoet og Formel 1-racerdestinationen, blev teknikken faktisk opfundet i 1940'erne ved Los Alamos National Laboratory, hvor videnskabsmænd, der arbejdede med atomvåben, havde begrænsede forsyninger af uran og en ekstrem lav tærskel for forsøg og fejl.

Siden da er Monte Carlo-simuleringer blevet en fast bestanddel af finansiel risikovurdering, forsyningskædestyring og endda eftersøgnings- og redningsoperationer. Monte Carlo-simuleringer bruger typisk tusinder eller endda titusindvis af tilfældige prøver til at tage højde for ukendte variabler og modellere sandsynligheden for en række resultater.

Gianneschis team brugte software til at modellere et væskecelletransmissionselektronmikroskop og tilpassede derefter Monte Carlo-simuleringen til at fokusere på elektronernes baner gennem tre opløsningsmidler - methanol, vand og dimethylformamid (DMF) - og vurdere interaktioner mellem elektroner og opløsningsmidler. Simuleringerne antydede, at vand ville være det mest radiolytisk følsomme af de tre opløsningsmidler - hvilket betyder, at det vil reagere på elektronerne og ændre eller endda beskadige prøven - mens methanol ville være den mest stabile, sandsynligvis sprede de færreste elektroner og generere en klarere billede.

Disse modellerede resultater blev derefter verificeret ved hjælp af faktiske LCTEM, hvor forskerne kunne observere de bløde nanomaterialer, mens de forvandlede sig til orme, miceller og andre former dikteret af opløsningsmiddelforhold – og tage detaljerede noter om deres adfærd og egenskaber.

Men vigtigere end at lære om disse tre opløsningsmidler er skabelsen af ​​en metode til at teste ethvert opløsningsmiddels egnethed.

"Vi kan bruge denne tilpassede Monte Carlo-metode til at modellere radiolysen af ​​ethvert organisk opløsningsmiddel," sagde Korpanty. "Så kunne du forstå opløsningsmiddeleffekten for ethvert eksperiment, du ville lave. Det er en enorm stigning i omfanget af, hvad du kan studere med denne form for mikroskopi."

"Vores resultater viser, at LCTEM er en fantastisk måde at studere bløde, solvatiserede nanomaterialer," sagde Gianneschi. "Der er ingen anden billeddannelsesmetode, der giver os dette niveau af forståelse af, hvad der sker, hvordan disse nanomaterialer opfører sig anderledes end deres bulk-modstykker, og hvad vi kan gøre for at forstyrre dem til at få adgang til nye, endnu uopdagede materialeegenskaber."

Undersøgelsen, "Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics," er offentliggjort i Cell Reports Physical Science . + Udforsk yderligere

Ny elektronmikroskopi-teknik giver et første kig på tidligere skjulte processer