Chemici van UC San Diego hebben een nieuwe tool ontwikkeld waarmee wetenschappers voor het eerst kunnen zien, op de schaal van vijf miljardsten van een meter, "nanoschaal" mengprocessen die voorkomen in vloeistoffen.

"Het kunnen kijken naar chemische gradiënten en reacties op nanoschaal terwijl ze plaatsvinden, is zo'n fundamenteel hulpmiddel in de biologie, scheikunde en alle materiaalkunde, " zei Nathan Gianneschi, een professor in de chemie en biochemie die het team leidde dat de ontwikkeling in een paper in de uitgave van deze week van het tijdschrift beschreef Microscopie en microanalyse . "Met dit nieuwe instrument we zullen in staat zijn om te kijken naar de kinetiek en dynamiek van chemische interacties die we nooit eerder hebben kunnen zien."

Wetenschappers hebben lang vertrouwd op transmissie-elektronenmicroscopie, of TEM, structuren op nanoschaal te zien. Maar die techniek kan alleen statische beelden maken en de onderwerpen moeten worden gedroogd, of bevroren en gemonteerd in een vacuümkamer om gezien te worden. Als resultaat, onderzoekers zijn niet in staat geweest om levende processen of chemische reacties op nanoschaal te bekijken, zoals de groei en samentrekking in levende cellen van kleine vezels of uitsteeksels op nanoschaal, essentieel bij celbeweging en -deling, of de veranderingen veroorzaakt door een chemische reactie in een vloeistof.

"Als chemici, we konden alleen de eindproducten of veranderingen in bulkoplossingen echt analyseren, of afbeelding met lage resolutie omdat we gebeurtenissen nooit direct op nanoschaal konden zien, ' zei Gianneschi.

Recente ontwikkelingen in Liquid Cell TEM, of LCTEM, hebben wetenschappers in staat gesteld om eindelijk video's te maken van objecten op nanoschaal in vloeistoffen. Maar die techniek is beperkt door het onvermogen om het mengen van oplossingen te controleren, een vereiste bij het bekijken en analyseren van de impact van een medicijn op een levende cel of de reactie van twee chemicaliën.

Joseph Patterson, een postdoctoraal onderzoeker in het Gianneschi-laboratorium, werken met onderzoekers van SCIENION AG in Duitsland en Pacific Northwest National Laboratory, heeft een grote stap gezet om dat probleem op te lossen door een techniek en een hulpmiddel te ontwikkelen waarmee wetenschappers kleine hoeveelheden vloeistof - ongeveer 50 biljoenste van een liter - binnen het kijkgebied van de LCTEM-microscoop kunnen deponeren.

"Met deze techniek we kunnen meerdere componenten zien die op nanoschaal met elkaar zijn gemengd in vloeistoffen, dus, bijvoorbeeld, je zou naar biologische materialen kunnen kijken en misschien zien hoe ze reageren op een medicijn, "zei Gianneschi. "Dat was voorheen nooit mogelijk."

"De voordelen van fundamenteel onderzoek zijn enorm, " voegde hij eraan toe. "We zullen nu de groei op nanoschaal van allerlei dingen direct kunnen zien, zoals natuurlijke vezels of microtubuli. Er is veel interesse van onderzoekers om te begrijpen hoe de oppervlakken van nanodeeltjes chemische reacties beïnvloeden of hoe nanoschaaldefecten op de oppervlakken van materialen ontstaan. We kunnen eindelijk kijken naar de interfaces op nanostructuren, zodat we de ontwikkeling van nieuwe soorten katalysatoren kunnen optimaliseren, verven en suspensies."

Hoewel de wetenschappers hun tool nog niet hebben gebruikt om chemische reacties in oplossing te bekijken, ze hebben aangetoond dat de techniek werkt om menging mogelijk te maken met behulp van combinaties van gouden nanodeeltjes en andere kristallen op nanoschaal die in een vloeistof zijn gesuspendeerd.

"Wat we hebben aangetoond is het proof of concept, "zei Gianneschi. "Maar dat is wat we hierna gaan doen."

Hoewel wetenschappers met deze nieuwe tool geen moleculen in oplossing kunnen zien, Gianneschi zei dat ze de impact zouden moeten kunnen zien van chemische reacties die plaatsvinden op materialen die groter zijn dan vijf nanometer, of vijf miljardsten van een meter.

"We zullen geen moleculen zien botsen, maar we zullen in staat zijn om afzonderlijke deeltjes en verzamelingen ervan te observeren, op de nanometer lengteschaal, " voegde hij eraan toe. "Het observeren van dit soort processen is een van de belangrijkste uitdagingen op het gebied van nanowetenschap."