Het vastleggen van de beweging van moleculen is geen gemakkelijke taak. Wetenschappers van het Centrum voor Zachte en Levende Materie, binnen het Institute for Basic Science (IBS) waren in staat om de beweging van moleculen die in een grafeenzak zijn opgeslagen te observeren zonder ze te bevlekken. Gepubliceerd in Geavanceerde materialen , deze studie baant de weg voor het observeren van de dynamiek van levensbouwstenen, zoals eiwitten en DNA, evenals de zelfassemblage van andere materialen.

Een derde van de diameter van een mensenhaar is ongeveer de kleinste maat die het menselijk oog zonder hulp kan zien. Om kleinere objecten te onderscheiden, we hebben microscopen nodig. We kunnen cellen en bacteriën waarderen met optische microscopen, terwijl virussen en moleculen alleen zichtbaar zijn onder een elektronenmicroscoop. In het laatstgenoemde, afbeeldingen worden gevormd door elektronen die op een monster worden geschoten. Omdat elektronen een veel kortere golflengte hebben in vergelijking met licht, elektronenmicroscopie biedt een veel hogere vergroting dan optische microscopie. Echter, de elektronenstraal vernietigt het monster en als er water aanwezig is, het heeft de neiging te ontleden in bellen. Daarom, elektronenmicroscopie is geschikt voor het visualiseren van inerte, dode monsters, terwijl levend materiaal chemisch op zijn plaats wordt vastgezet.

IBS-wetenschappers braken deze regel en visualiseerden niet-vaste ketens van atomen, polymeren genoemd, zwemmen in een vloeistof in grafeenzakken. Deze bestaan ​​uit 3-5 grafeenlagen aan de onderkant en twee aan de bovenkant. De platen zijn ondoordringbaar voor kleine moleculen, en ook voorkomen dat de elektronenstraal het monster onmiddellijk beschadigt:de wetenschappers hadden gemiddeld 100 seconden om de dynamische beweging van individuele polymeermoleculen te bewonderen, voordat deze werden vernietigd door de elektronenstraal. Tijdens deze waardevolle seconden, moleculen veranderen van positie, herschikken of "rondspringen". "Het was geweldig om deze flexibele organische macromoleculen rond te zien dansen, " zegt Hima Nagamanasa, eerste co-auteur van het artikel. "Moleculen bewegen veel sneller in bulk. We waren verrast om te zien dat ze hier langzamer bewegen. We geloven dat gehechtheid aan het oppervlak van de zak in ons voordeel werkte om ze te vertragen, zonder dat zouden we waarschijnlijk alleen een wazig beeld zien."

Eerder, wetenschappers moesten monsters bevlekken met metaal- of kleurstofmoleculen om ze zichtbaar te maken in de grafeenzak. Metaal heeft een hoge reflexibiliteit, wat betekent dat het kan schijnen, zodat het kan worden gebruikt om goede afbeeldingen te krijgen. Echter, de chemische bindingen tussen het monster en het metaal of de kleurstof veranderen de kenmerken van het monstermolecuul. In dit onderzoek, de grafeenzak is dun genoeg om de inhoud ervan in realtime te kunnen observeren zonder enige kleuring.

Vooral, werkten de wetenschappers met twee polymeren:een met zwavel, polystyreensulfonaat, en een zonder polyethyleen oxide. Hierdoor konden ze aantonen dat het contrast onder de microscoop afkomstig is van de polymeerstructuur - gemaakt van koolstof- en waterstofatomen - in plaats van van de zwavel. "De meeste moleculen die door levende organismen worden geproduceerd, hebben een ruggengraat van koolstof en waterstof, en daarom hopen we dit onderzoek uit te breiden naar de studie van interacties tussen DNA en eiwitten, " legt de eerste co-auteur Huan Wang uit. Bovendien, aangezien de wetenschappers een standaard elektronenmicroscoop gebruikten, ze verwachten dat deze techniek ook in andere laboratoria zal worden toegepast.