Van waterflessen en voedselcontainers tot speelgoed en slangen, veel moderne materialen zijn gemaakt van kunststof. En hoewel we wereldwijd ongeveer 110 miljoen ton synthetische polymeren zoals polyethyleen en polypropyleen produceren voor deze plastic producten, er zijn nog steeds mysteries over polymeren op atomaire schaal.

Vanwege de moeilijkheid om afbeeldingen van deze materialen op kleine schaal vast te leggen, afbeeldingen van individuele atomen in polymeren zijn alleen gerealiseerd in computersimulaties en illustraties, bijvoorbeeld.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Nitash Balsara, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en professor in chemische en biomoleculaire engineering aan UC Berkeley, heeft een krachtige op elektronen gebaseerde beeldvormingstechniek aangepast om een ​​beeld te krijgen van de structuur op atomaire schaal in een synthetisch polymeer. Het team omvatte onderzoekers van Berkeley Lab en UC Berkeley.

Het onderzoek zou uiteindelijk de fabricagemethoden van polymeren kunnen informeren en leiden tot nieuwe ontwerpen voor materialen en apparaten waarin polymeren zijn verwerkt.

In hun studie hebben gepubliceerd in de American Chemical Society's macromoleculen logboek, de onderzoekers beschrijven de ontwikkeling van een cryogene elektronenmicroscopie-beeldvormingstechniek, geholpen door geautomatiseerde simulaties en sorteertechnieken, die 35 rangschikkingen van kristalstructuren identificeerde in een peptoïde polymeermonster. Peptoïden zijn synthetisch geproduceerde moleculen die biologische moleculen nabootsen, waaronder ketens van aminozuren die bekend staan ​​als peptiden.

Het monster werd gerobotiseerd gesynthetiseerd in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een DOE Office of Science User Facility voor nanowetenschappelijk onderzoek. Onderzoekers vormden platen van gekristalliseerde polymeren met een dikte van ongeveer 5 nanometer (miljardsten van een meter) wanneer ze in water werden gedispergeerd.

"We hebben onze experimenten uitgevoerd op de meest perfecte polymeermoleculen die we konden maken, " Balsara zei - de peptoïde monsters in het onderzoek waren extreem zuiver in vergelijking met typische synthetische polymeren.

Het onderzoeksteam creëerde kleine vlokken van peptoïde nanosheets, bevroor ze om hun structuur te behouden, en ze vervolgens afgebeeld met behulp van een elektronenstraal. Een inherente uitdaging bij het afbeelden van materialen met een zachte structuur, zoals polymeren, is dat de straal die wordt gebruikt om beelden vast te leggen ook de monsters beschadigt.

De directe cryogene elektronenmicroscopiebeelden, verkregen met zeer weinig elektronen om straalschade te minimaliseren, zijn te wazig om individuele atomen te onthullen. Onderzoekers bereikten een resolutie van ongeveer 2 angstrom, dat is twee tienden van nanometer (miljardste van een meter), of ongeveer de dubbele diameter van een waterstofatoom.

Ze bereikten dit door meer dan 500, 000 wazige afbeeldingen, het sorteren van verschillende motieven in verschillende "bakken, " en het gemiddelde van de afbeeldingen in elke bak. De sorteermethoden die ze gebruikten, waren gebaseerd op algoritmen die waren ontwikkeld door de structurele biologiegemeenschap om de atomaire structuur van eiwitten in beeld te brengen.

"We hebben gebruik gemaakt van de technologie die de mensen met eiwitbeeldvorming hadden ontwikkeld en hebben deze uitgebreid naar door mensen gemaakte, zachte materialen, "Zei Balsara. "Pas toen we ze sorteerden en het gemiddelde namen, werd die wazigheid duidelijk."

Voordat deze afbeeldingen met hoge resolutie Balsara zei, de rangschikking en variatie van de verschillende soorten kristalstructuren was onbekend.

"We wisten dat er veel motieven waren, maar ze zijn allemaal verschillend van elkaar op manieren die we niet kenden, "zei hij. "In feite, zelfs het dominante motief in het peptoid-vel was een verrassing."

Balsara gecrediteerd Ken Downing, een senior wetenschapper in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division van Berkeley Lab, die in augustus is overleden, en Xi Jiang, een projectwetenschapper bij de afdeling Materials Sciences, voor het vastleggen van de hoogwaardige afbeeldingen die centraal stonden in het onderzoek en voor het ontwikkelen van de algoritmen die nodig zijn om atomaire resolutie in de polymeerbeeldvorming te bereiken.

Hun expertise in cryogene elektronenmicroscopie werd aangevuld door Ron Zuckermanns vermogen om modelpeptoïden te synthetiseren, David Prendergast's kennis van moleculaire dynamica-simulaties die nodig was om de beelden te interpreteren, Andrew Minor's expertise in het afbeelden van metalen op atomaire schaal, en Balsara's ervaring op het gebied van polymeerwetenschap.

Bij de Moleculaire Gieterij, Zuckermann leidt de faciliteit voor biologische nanostructuren, Prendergast leidt de Theorie-faciliteit, en Minor leidt het National Center for Electron Microscopy en is ook een professor in materiaalkunde en engineering aan UC Berkeley. Veel van de cryo-elektronenbeeldvorming werd uitgevoerd in de Krios-microscopiefaciliteit van UC Berkeley. Veel van de cryo-elektronenbeeldvorming werd uitgevoerd in de Krios-microscopiefaciliteit van UC Berkeley.

Balsara zei dat zijn eigen onderzoek naar het gebruik van polymeren voor batterijen en andere elektrochemische apparaten baat zou kunnen hebben bij het onderzoek, omdat het zien van de positie van polymeeratomen enorm zou kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen voor deze apparaten.

Afbeeldingen op atoomschaal van polymeren die in het dagelijks leven worden gebruikt, hebben mogelijk meer geavanceerde, geautomatiseerde filtermechanismen die afhankelijk zijn van machine learning, bijvoorbeeld.

"We zouden de structuur op atomaire schaal moeten kunnen bepalen van een grote verscheidenheid aan synthetische polymeren zoals commercieel polyethyleen en polypropyleen, profiteren van snelle ontwikkelingen op gebieden zoals kunstmatige intelligentie, met behulp van deze aanpak, ' zei Balsara.

Het bepalen van kristalstructuren kan essentiële informatie opleveren voor andere toepassingen, zoals de ontwikkeling van medicijnen, omdat verschillende kristalmotieven heel verschillende bindingseigenschappen en therapeutische effecten kunnen hebben, bijvoorbeeld.