Toen de beroemde natuurkundigen Max Knoll en Ernst Ruska in 1933 voor het eerst de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) introduceerden, het stelde onderzoekers in staat om in cellen te kijken, micro-organismen en deeltjes die ooit te klein waren om te bestuderen.

Al decenia, deze krachtige instrumenten waren beperkt tot het maken van statische snapshots van specimens, die maar een deel van het verhaal vertellen. Nu vullen onderzoekers van de Northwestern University en de University of Florida de lege plekken in om dit verhaal completer te maken.

Het team maakt deel uit van een poging om een ​​nieuw type TEM te ontwikkelen dat dynamische, multiframe-video's van nanodeeltjes terwijl ze zich vormen, waardoor onderzoekers kunnen zien hoe exemplaren veranderen in ruimte en tijd. Weten hoe deze deeltjes zich vormen, zou kunnen veranderen hoe onderzoekers toekomstige medicijnafgiftesystemen ontwerpen, verven, coatings, smeermiddelen en andere materialen waarvoor controle over nanoschaaleigenschappen kan leiden tot grote effecten op macroschaalmaterialen.

"We hebben aangetoond dat TEM geen microscopiemethode hoeft te zijn die alleen wordt gebruikt om te analyseren wat er na het feit is gebeurd - nadat een reactie is beëindigd, " zei Nathan Gianneschi, hoogleraar scheikunde, biomedische technologie en materiaalkunde en techniek bij Northwestern, die de studie mede leidde. "Maar, liever, dat het kan worden gebruikt om reacties te visualiseren terwijl ze zich voordoen."

"Voordat, we hadden net snapshots van hoe dingen eruit zagen in bepaalde gevallen, " zei Brent Sumerlin, de George Bergen Butler hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Florida, die samen met Gianneschi de studie leidde. "Nutsvoorzieningen, we beginnen de evolutie van materialen in realtime te zien, zodat we kunnen zien hoe transformaties plaatsvinden. Het is geestverruimend."

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd, 25 april in het journaal ACS Centrale Wetenschap . Mollie A. Touve, een afgestudeerde student in het laboratorium van Gianneschi, is de eerste auteur van de krant.

De nieuwe technologie van Gianneschi en Sumerlin heeft drie hoofdcomponenten:door polymerisatie geïnduceerde zelfassemblage (PISA), een robotsysteem dat de experimenten assembleert en een camera die aan de microscoop is bevestigd die de deeltjes vastlegt terwijl ze zich vormen en veranderen.

Een expert in PISA, Sumerlin gebruikt de techniek al lang, die grote hoeveelheden goed gedefinieerde zachte materialen maakt, in zijn laboratorium. Hij gebruikt PISA specifiek om zelf-assemblerende micellen te vormen, een soort bolvormig nanomateriaal met veel toepassingen - van zeep tot gerichte medicijnafgifte.

Hoewel micellen erom bekend staan ​​interessante functies te hebben, er zijn kennislacunes in hoe ze zich feitelijk vormen. Gianneschi en Sumerlin vroegen zich af of ze een elektronenmicroscoop konden gebruiken om micellen - in actie - te zien terwijl ze zichzelf assembleren met PISA.

"Omdat deze materialen op de nanometer-lengteschaal staan, we hadden duidelijk een elektronenmicroscoop nodig om ze te observeren, " zei Gianneschi, een lid van Northwestern's International Institute of Nanotechnology. "Dus, eigenlijk, we wilden de elektronenmicroscoop als reageerbuis gebruiken."

Met hoge precisie en reproduceerbaarheid, het robotsysteem van het team verzamelde alle chemicaliën die nodig waren om de deeltjes te maken. Vervolgens, de elektronenstraal van de microscoop veroorzaakte een reactie die ervoor zorgde dat de micellen zich begonnen te vormen. Hoewel het camerasysteem van Gianneschi niet de volledige transformatie van de micellen vastlegde, het liet de onderzoekers wel toe om er een deel van te zien.

"Ik ben aangenaam verrast dat we dit deel voor elkaar hebben gekregen, "Zei Gianneschi. "Maar het optimaliseren van het systeem - zodat we het hele traject van de reactie kunnen zien - zal ons de komende jaren bezig houden."

Nog altijd, Gianneschi en Sumerlin zijn verheugd dat ze een belangrijk element in de elektronenmicroscopie hebben geïntroduceerd:tijd. Gianneschi vergelijkt hun prestatie met het kookproces.

"Stel je voor dat je een diner kookt zonder ernaar te kunnen kijken, "zei hij. "Je kunt het recept volgen, maar je weet niet echt hoe het gaat. Je kunt het vlees niet zien bruin worden op het fornuis of het deeg rijzen. Je moet het direct kunnen observeren. Dat vinden we in het normale leven vanzelfsprekend."

"Met traditionele chemische analyse, soms is de output een tweedimensionale lijn met een paar pieken en dalen, en we gebruiken dat om een ​​idee te krijgen van wat er gebeurt, " voegde Sumerlin toe. "Maar nu maken we eigenlijk nanostructuren en kijken hoe ze zich vormen. Dit is een grote verandering."