Een team van onderzoekers van UC San Diego, Florida State University en Pacific Northwest National Laboratories hebben voor het eerst de groei van chemische complexen op nanoschaal in realtime gevisualiseerd. wat aantoont dat processen in vloeistoffen op de schaal van een miljardste meter kunnen worden gedocumenteerd terwijl ze plaatsvinden.

de prestatie, die veel toekomstige vooruitgang in nanotechnologie mogelijk zal maken, wordt gedetailleerd beschreven in een artikel dat vandaag online is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society . Chemici en materiaalwetenschappers zullen deze nieuwe ontwikkeling kunnen gebruiken in hun fundamenteel en toegepast onderzoek, bijvoorbeeld, om de stapsgewijze vorming van nanostructuren beter te begrijpen.

Eerder, wetenschappers konden veranderingen in nanostructuren alleen onderzoeken door te kijken naar de grootschalige veranderingen van een bulkpopulatie van deeltjes of door op een statische manier 'screenshots' te maken van individuele nanostructuren met elektronenmicroscopie.

'Dat proces is als het maken van elke 10 minuten foto's van een voetbalwedstrijd en vervolgens proberen deze foto's samen te voegen om het verhaal te vertellen van wat echt een zeer dynamisch proces is, ' zei Nathan Gianneschi, een universitair hoofddocent scheikunde en biochemie aan UC San Diego, die samen met Seth Cohen de onderzoeksinspanningen leidde, voorzitter van de afdeling Scheikunde en Biochemie van UC San Diego.

'Tot nu, dit was de stand van de techniek in termen van hoe we konden documenteren hoe nanostructuren werden gevormd. De ontwikkeling die we in ons artikel beschrijven, toont aan dat deze processen in realtime kunnen worden waargenomen, door deze processen letterlijk op nanoschaal te filmen met een elektronenmicroscoop.'

De ontwikkeling maakte gebruik van een recent ontwikkeld proces genaamd Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Transmissie-elektronenmicroscopie, of TEM, wordt al lang door wetenschappers gebruikt om materialen op nanoschaal in beeld te brengen en de structuur op nanoschaal te begrijpen. Terwijl vooruitgang in Liquid Cell TEM, of LCTEM, wetenschappers hadden toegestaan ​​om de beweging van objecten op nanoschaal in vloeistoffen te visualiseren, onderzoekers hadden nog geen manier bedacht om het te gebruiken om de groei van complexe zelf-geassembleerde, chemische nanostructuren.

'We hebben voor het eerst aangetoond dat deze techniek kan worden gebruikt om de groei van complexe organisch-anorganische hybride materialen te observeren, het verstrekken van een ongekend inzicht in hun vorming, ' zei Gianneschi. 'Deze demonstratie markeert een belangrijke stap voorwaarts in het feit dat LCTEM essentieel wordt voor ons begrip van processen op nanoschaal voor alle materialen in vloeistoffen.'

Het team van wetenschappers omvatte Joseph Patterson en Michael Denny van UC San Diego, Patricia Abellan, Nigel Browning en James Evans van Pacific Northwest National Laboratory en Chiwoo Park van de staat Florida. Patterson, de eerste auteur van het artikel, deed alle vloeistofceltransmissiemicroscopie bij instrumenten aan UC San Diego en PNNL met de hulp van Evans, die een expert is in de techniek, terwijl Park verantwoordelijk was voor de video-analyse.

Om dingen eenvoudig te maken, de onderzoekers begonnen aanvankelijk met het bestuderen van een chemisch systeem waarvan bekend is dat het met een beperkt aantal componenten assembleert en aanleiding geeft tot goed gedefinieerde materialen.

'We vonden metaal-organische raamwerken hiervoor het perfecte uitgangspunt omdat ze via een assemblageproces geordende structuren geven en organische en anorganische componenten bevatten, ' zei Gianneschi. 'De eerste stap was om te bepalen of deze nanostructuren het experiment zouden overleven. Dit is nodig omdat materialen vatbaar zijn voor vernietiging door de hoogenergetische elektronenstraal die wordt gebruikt om ze af te beelden. Toen deze voorwaarden eenmaal waren vastgesteld, we konden toen componenten in het TEM-instrument laten stromen, in oplosmiddel, en kijk toe terwijl het montageproces plaatsvond. Dit werd mogelijk gemaakt met behulp van een speciale monstercelhouder voor de TEM waarmee we vloeistoffen in een kamer konden plaatsen, binnen het hoogvacuüminstrument. We kunnen dan beeld door de kamer, om te zien wat erin zit.'

De demonstratie van de wetenschappers dat dergelijke chemische complexen in realtime kunnen worden afgebeeld, suggereert dat de complexe processen van andere 'delicate zelfassemblages' in meer detail zouden kunnen worden opgehelderd, zoals biologisch geproduceerde chemicaliën en virussen, die meer dan duizend keer kleiner zijn dan bacteriën.

'Deze vooruitgang biedt een hulpmiddel voor het observeren van materiaal terwijl ze samenkomen met resoluties die alleen mogelijk zijn met behulp van elektronenmicroscopie, ' zei Gianneschi. 'Dat is, lengteschalen kunnen worden waargenomen die relevant zijn voor materialen en processen op nanoschaal. In termen van beelddynamiek zoals deze, we denken dat het van invloed zal zijn op hoe nanotechnologie in de toekomst wordt ontwikkeld.'