(Phys.org) — De herfst is meestal niet zo'n geweldige tijd voor grote special effects-films, aangezien de zomerkaskrakers zijn vervaagd en die voor de feestdagen nog niet zijn geopend. De herfst is vaker de tijd voor doordachte films over kleine onderwerpen, wat het perfect maakt voor de onthulling van een nieuwe film geproduceerd door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Door een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en hun eigen unieke grafeen-vloeistofcel, de onderzoekers hebben de driedimensionale beweging vastgelegd van DNA dat is verbonden met gouden nanokristallen. Dit is de eerste keer dat TEM is gebruikt voor 3D dynamische beeldvorming van zogenaamde zachte materialen.

"Onze demonstratie van dynamische 3D-beeldvorming gaat verder dan het conventionele gebruik van TEM bij het zien van platte, droge monsters en opent vele opwindende mogelijkheden voor het bestuderen van de dynamiek van biologische macromoleculaire assemblages en kunstmatige nanostructuren, " zegt natuurkundige Alex Zettl, een van de leiders van dit onderzoek. "Deze resultaten zijn mogelijk gemaakt door onze nieuwe vloeibare grafeencel, die kan voldoen aan de uitdagingen van het gebruik van TEM om zachte materialen af ​​​​te beelden."

Zettl, die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, waar hij leiding geeft aan het Center of Integrated Nanomechanical Systems, is een van de co-auteurs van een paper in NANO-letters dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "3D Motion of DNA-Au Nanoconjugates in Graphene Liquid Cell Electron Microscopy."

Paul Alivisatos, Berkeley Lab Director en UC Berkeley's Samsung Distinguished Chair in Nanoscience and Nanotechnology, is de corresponderende auteur. Andere auteurs zijn Qian Chen, Jessica Smit, Jungwon-park, Kwanpyo Kim, Davy Ho en Haider Rasool.

De term "zachte materialen" omvat een grote verscheidenheid aan dingen, inclusief DNA, eiwitten en andere biologische verbindingen, kunststoffen, therapeutische medicijnen, flexibele elektronica, en bepaalde soorten fotovoltaïsche energie. Ondanks hun alomtegenwoordige aanwezigheid in ons dagelijks leven, zachte materialen stellen veel vragen omdat de studie van hun dynamiek op nanoschaal, vooral biologische systemen, een uitdaging geweest. TEM, waarin een bundel elektronen in plaats van licht wordt gebruikt voor verlichting en vergroting, biedt de resolutie voor dergelijke studies, maar kan alleen worden gebruikt in een hoog vacuüm, omdat moleculen in de lucht de elektronenstraal verstoren. Omdat vloeistoffen in hoog vacuüm verdampen, monsters van zachte materialen, die zijn beschreven als "zeer viskeuze vloeistoffen, " moeten hermetisch worden afgesloten in speciale stevige containers (cellen genaamd) met een kijkvenster voordat ze worden afgebeeld met TEM.

Vroeger, vloeibare cellen hadden op silicium gebaseerde kijkvensters waarvan de dikte de resolutie beperkte en de natuurlijke staat van de zachte materialen verstoorde. Zettl en Alivisatos en hun respectievelijke onderzoeksgroepen overwonnen deze beperkingen met de ontwikkeling van een vloeibare cel op basis van een grafeenmembraan van slechts één atoom dik. Deze ontwikkeling gebeurde in nauwe samenwerking met onderzoekers van het National Center for Electron Microscopy (NCEM), die zich in Berkeley Lab bevindt.

"Onze vloeibare grafeencellen duwden de ruimtelijke resolutie van TEM-beeldvorming in de vloeibare fase naar de atomaire schaal, maar concentreerden zich nog steeds op groeitrajecten van metalen nanokristallen, " zegt hoofdauteur Qian Chen, een postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep van Alivisatos. "Nu hebben we de techniek gebruikt om de 3D-dynamiek van zachte materialen in beeld te brengen, te beginnen met dubbelstrengs (dsDNA) verbonden met gouden nanokristallen en nanometerresolutie bereikt."

Om de cel te maken, twee tegenover elkaar liggende grafeenplaten zijn aan elkaar gehecht door hun van der Waals-aantrekkingskracht. Dit vormt een afgesloten kamer op nanoschaal en creëert in de kamer een stabiele zak met waterige oplossing van ongeveer 100 nanometer hoog en een micron in diameter. Het grafeenmembraan van één atoom dik van de cellen is in wezen transparant voor de TEM-elektronenstraal, minimaliseert het ongewenste verlies van beeldelektronen en biedt een superieur contrast en resolutie in vergelijking met op silicium gebaseerde vensters. De waterige pockets maken tot twee minuten continue beeldvorming mogelijk van monsters van zacht materiaal die zijn blootgesteld aan een elektronenbundel van 200 kilo Volt. Gedurende deze periode, zachte materiaalmonsters kunnen vrij roteren.

Nadat ze hebben aangetoond dat hun vloeibare grafeencel een waterige monsteroplossing kan afdichten tegen een TEM-hoogvacuüm, de Berkeley-onderzoekers gebruikten het om de soorten goud-dsDNA-nanoconjugaten te bestuderen die op grote schaal zijn gebruikt als dynamische plasmonische sondes.

"De aanwezigheid van dubbelstrengs DNA-moleculen omvat de grote uitdagingen van het bestuderen van de dynamiek van biologische monsters met vloeibare fase TEM, " zegt Alivisatos. "De contrastrijke gouden nanokristallen vergemakkelijken het volgen van onze exemplaren."

De groepen Alivisatos en Zettl konden dimeren waarnemen, paar gouden nanodeeltjes, vastgebonden door een enkel stuk dsDNA, en trimeren, drie gouden nanodeeltjes, verbonden in een lineaire configuratie door twee enkele stukken dsDNA. Van een reeks 2D-geprojecteerde TEM-beelden die zijn vastgelegd terwijl de monsters ronddraaiden, de onderzoekers moesten de 3D-configuratie en bewegingen van de monsters reconstrueren terwijl ze in de loop van de tijd evolueerden.

"Deze informatie zou ontoegankelijk zijn met conventionele TEM-technieken, "zegt Chen.

De ontwikkeling van de vloeibare celtechniek voor in situ TEM, oorspronkelijk gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap in 2012.