science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuwe elektronenmicroscopietechniek biedt een eerste blik op voorheen verborgen processen

Een schematische weergave van virtuele elektron-positronparen die willekeurig in de buurt van een elektron verschijnen (linksonder). Krediet:RJHall/Wikipedia

Noordwest-onderzoekers hebben een nieuwe microscopiemethode ontwikkeld waarmee wetenschappers kunnen zien hoe de bouwstenen van 'slimme' materialen op nanoschaal worden gevormd.

Het chemische proces zal de toekomst van schoon water en medicijnen veranderen en voor het eerst zullen mensen het proces in actie kunnen zien.

"Onze methode stelt ons in staat om deze klasse van polymerisatie in realtime te visualiseren, op nanoschaal, wat nog nooit eerder is gedaan, " zei Nathan Gianneschi van Northwestern. "We hebben nu de mogelijkheid om de reactie te zien plaatsvinden, zie hoe deze nanostructuren worden gevormd, en leer hoe je kunt profiteren van de ongelooflijke dingen die ze kunnen doen."

Het onderzoek werd vandaag (22 december) gepubliceerd in het tijdschrift Materie .

Het papier is het resultaat van een samenwerking tussen Gianneschi, de associate director van het International Institute for Nanotechnology en de Jacob en Rosalind Cohn Professor of Chemistry in het Weinberg College of Arts and Sciences, en Brent Sumerlin, de George en Josephine Butler hoogleraar polymeerchemie aan het College of Liberal Arts &Sciences aan de Universiteit van Florida.

Dispersiepolymerisatie is een algemeen wetenschappelijk proces dat wordt gebruikt om medicijnen te maken, cosmetica, latex en andere items, vaak op industriële schaal. En op nanoschaal polymerisatie kan worden gebruikt om nanodeeltjes te maken met unieke en waardevolle eigenschappen.

Deze nanomaterialen zijn veelbelovend voor het milieu, waar ze kunnen worden gebruikt om olievlekken of andere verontreinigende stoffen op te zuigen zonder het leven in zee te schaden. in de geneeskunde, als de basis van "slimme" medicijnafgiftesystemen, het kan worden ontworpen om menselijke cellen binnen te gaan en therapeutische moleculen af ​​te geven onder gespecificeerde omstandigheden.

Er zijn moeilijkheden geweest bij het opschalen van de productie van deze materialen. aanvankelijk, productie werd belemmerd door het tijdrovende proces dat nodig was om ze te maken en vervolgens te activeren. Een techniek genaamd polymerisatie-geïnduceerde zelfassemblage (PISA) combineert stappen en bespaart tijd, maar het gedrag van de moleculen tijdens dit proces bleek om één simpele reden moeilijk te voorspellen:wetenschappers waren niet in staat om te observeren wat er werkelijk gebeurde.

Reacties op nanoschaal zijn veel te klein om met het blote oog te zien. Traditionele beeldvormingsmethoden kunnen alleen het eindresultaat van polymerisatie vastleggen, niet het proces waardoor het gebeurt. Wetenschappers hebben geprobeerd dit te omzeilen door op verschillende punten in het proces monsters te nemen en deze te analyseren, maar het gebruik van alleen snapshots kon niet het volledige verhaal vertellen van de chemische en fysieke veranderingen die tijdens het proces plaatsvonden.

"Het is alsof je een paar foto's van een voetbalwedstrijd vergelijkt met de informatie in een video van de hele wedstrijd. " zei Gianneschi. "Als je de weg begrijpt waarlangs een chemische stof wordt gevormd, als je kunt zien hoe het gebeurde, dan kun je leren hoe je het kunt versnellen, en je kunt uitzoeken hoe je het proces kunt verstoren, zodat je een ander effect krijgt."

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is in staat om beelden te maken met een resolutie van minder dan nanometer, maar het wordt over het algemeen gebruikt voor bevroren monsters, en kan ook geen chemische reacties aan. Met TEM, een elektronenstraal wordt afgevuurd door een vacuüm, in de richting van het onderwerp; door de elektronen te bestuderen die aan de andere kant naar buiten komen, een beeld kan worden ontwikkeld. Echter, de kwaliteit van het beeld hangt af van het aantal elektronen dat door de straal wordt afgevuurd - en het afvuren van te veel elektronen zal de uitkomst van de chemische reactie beïnvloeden. Met andere woorden, het is een geval van het waarnemerseffect - kijken naar de zelfassemblage kan de zelfassemblage veranderen of zelfs beschadigen. Wat je uiteindelijk krijgt, is anders dan wat je zou hebben gehad als je niet had gekeken.

Het probleem oplossen, de onderzoekers plaatsten de polymeermaterialen op nanoschaal in een gesloten vloeistofcel die de materialen zou beschermen tegen het vacuüm in de elektronenmicroscoop. Deze materialen zijn ontworpen om te reageren op veranderingen in temperatuur, dus de zelfassemblage zou beginnen wanneer de binnenkant van de vloeistofcel een ingestelde temperatuur bereikte.

De vloeibare cel was ingesloten in een siliciumchip met kleine, maar krachtig, elektroden die als verwarmingselementen dienen. Ingebed in de chip is een klein venster - 200 x 50 nanometer groot - dat een laagenergetische straal door de vloeistofcel zou laten gaan.

Met de chip in de houder van de elektronenmicroscoop, de temperatuur in de vloeistofcel wordt verhoogd tot 60˚C, het initiëren van de zelfmontage. Door het kleine raam, het gedrag van de blokcopolymeren en het vormingsproces konden worden geregistreerd.

Toen het proces voltooid was, Het team van Gianneschi testte de resulterende nanomaterialen en ontdekte dat ze hetzelfde waren als vergelijkbare nanomaterialen die buiten een vloeibare cel werden geproduceerd. Dit bevestigde dat de techniek - die ze variabele-temperatuur vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie (VC-LCTEM) noemen - kan worden gebruikt om het polymerisatieproces op nanoschaal te begrijpen zoals het onder normale omstandigheden plaatsvindt.

Van bijzonder belang zijn de vormen die tijdens de polymerisatie worden gegenereerd. In verschillende stadia kunnen de nanodeeltjes op bollen lijken, wormen of kwallen, die elk verschillende eigenschappen aan het nanomateriaal verlenen. Door te begrijpen wat er gebeurt tijdens zelfassemblage, kunnen onderzoekers beginnen met het ontwikkelen van methoden om specifieke vormen te induceren en hun effecten af ​​te stemmen.

"Deze ingewikkelde en goed gedefinieerde nanodeeltjes evolueren in de loop van de tijd, vormen en dan veranderen terwijl ze groeien, "Zei Sumerlin. "Wat ongelooflijk is, is dat we in realtime kunnen zien hoe en wanneer deze overgangen plaatsvinden."

Gianneschi gelooft dat inzichten die met deze techniek worden verkregen, zullen leiden tot ongekende mogelijkheden voor de ontwikkeling en karakterisering van zelforganiserende materialen van zachte materie - en wetenschappelijke disciplines buiten de chemie.

"We denken dat dit een hulpmiddel kan worden dat ook nuttig is in structurele biologie en materiaalkunde, ", aldus Gianneschi. "Door dit te integreren met machine learning-algoritmen om de afbeeldingen te analyseren, en doorgaan met het verfijnen en verbeteren van de resolutie, we zullen een techniek hebben die ons begrip van polymerisatie op nanoschaal kan vergroten en het ontwerp van nanomaterialen kan leiden die de geneeskunde en het milieu mogelijk kunnen transformeren."