新的电子显微镜技术首次提供了对以前隐藏的过程的实时观察

电子显微镜

研究人员现在可以填补纳米级聚合和“智能”材料缺失的信息,用于医药和环境。

西北大学的研究人员开发了一种新的显微镜方法,可以让科学家看到“智能”材料的构件在纳米尺度下形成。

这一化学过程将改变清洁水和药物的未来,人们将首次能够亲眼目睹这一过程的运行。

“我们的方法使我们能够实时地将这类聚合性视为从未完成的纳米级,”西北部的Nathan Gianneschi说。“我们现在有能力看到发生的反应,看看这些纳米结构正在形成,并学会如何利用他们能做的令人难以置信的事情。”

该研究于2020年12月22日公布,在期刊上

本文是国际纳米技术研究所副主任的Gianneschi与Weinberg艺术和科学学院的雅各和Rosalind Cohn教授,George Sumerlin,George and Josephine Butler of Polymeryabovip2021yabovip2021文艺学院化学佛罗里达大学

“这就像将一场足球比赛的几张照片与一段完整比赛的视频中的信息进行比较一样。”
-内森·詹内斯基,第一作者

分散聚合是一种常见的科学过程,用于制作药品,化妆品,乳胶等物品,通常在工业规模上。并且在纳米级,可用于产生具有独特和有价值的纳米颗粒。

这些纳米材料对环境具有很大的承担,在那里他们可以用来吸收油溢出或其他污染物而不会损害海洋生物。在医学中,作为“智能”药物递送系统的基础,它可以设计用于在特定条件下进入人细胞并释放治疗分子。

扩大这些材料的生产一直有困难。最初,创建和激活它们所需的耗时过程阻碍了生产。一种叫做聚合诱导自组装(PISA)的技术结合了步骤并节省了时间,但在这个过程中分子的行为被证明是难以预测的,原因很简单:科学家无法观察到实际发生了什么。

纳米尺度的反应太小了,用肉眼无法看到。传统的成像方法只能捕捉聚合的最终结果,而不能捕捉聚合发生的过程。科学家们试图通过在这个过程的不同点取样并进行分析来解决这个问题,但是仅仅使用快照并不能完整地描述整个过程中发生的化学和物理变化。

“这就像比较足球比赛的几张照片到整个游戏视频中包含的信息,”Gianneschi说。“如果你了解化学形式的途径,如果你能看到它是如何发生的,那么你可以学习如何加速它,你可以弄清楚如何扰乱这个过程,所以你得到了不同的效果。”

透射电子显微镜(TEM)能够以亚纳米分辨率拍摄图像,但它通常用于冷冻样品,不能处理化学反应。通过TEM,一束电子束通过真空射向被试者;通过研究从另一边出来的电子,可以显像。然而,图像的质量取决于电子束发射的电子数量,发射过多的电子会影响化学反应的结果。换句话说,这是一种观察者效应——观察自我组装可能会改变甚至破坏自我组装。你最终得到的和你不看的时候得到的是不同的。

为了解决这个问题,研究人员将纳米级聚合物材料插入一个封闭的液体电池中,以保护材料不受电子显微镜内真空的影响。这些材料被设计成能够响应温度的变化,因此当液体电池内部达到设定的温度时,就会开始自组装。

液体电池封闭在具有小而强大的电极的硅芯片中,电极用作加热元件。嵌入在芯片中是一个微小的窗口 - 200×50纳米的尺寸 - 这将允许低能量光束通过液体电池。

将芯片插入电子显微镜的支架中,液体内部的温度升至60˚C,启动自组装。通过微小的窗口,可以记录嵌段共聚物的行为和形成过程。

当这一过程完成后,Gianneschi的团队测试了产生的纳米材料,发现它们与液体电池外产生的类似纳米材料相同。这证实了这项技术——他们称之为变温液体电池透射电子显微镜(VC-LCTEM)——可以用来理解在普通条件下发生的纳米级聚合过程。

特别感兴趣的是聚合期间产生的形状。在不同的阶段,纳米颗粒可以类似于球体,蠕虫或水母 - 每个术语 - 每个术语 - 每个术语在纳米材料上赋予不同的性质。通过了解自组装研究人员期间发生的事情,可以开始开发方法来诱导特定形状并调整它们的效果。

Sumerlin说:“这些复杂而明确的纳米粒子随着时间的推移而进化,在生长过程中形成和变形。”“令人难以置信的是,我们能够实时看到这些转变是如何以及何时发生的。”

Gianneschi认为,这种技术中获得的见解将导致自我组织软件材料的开发和表征的前所未有的可能性 - 以及超出化学的科学学科。yabovip2021

“我们认为这可以成为一种在结构生物学和材料科学中有用的工具,”Gianneschi说。yabo124“By integrating this with machine learning algorithms to analyze the images, and continuing to refine and improve the resolution, we’re going to have a technique that can advance our understanding of polymerization at the nanoscale and guide the design of nanomaterials that can potentially transform medicine and the environment.”

参考:Georg M. Scheutz, Mollie A. Touve, Andrea S. Carlini, John B. Garrison, Karthikeyan Gnanasekaran, Brent S. Sumerlin和Nathan C. Gianneschi, 2020年12月22日,
DOI:10.1016 / J.Matt.2020.11.017

Gianneschi还是McCormick工程学院的生物医学工程和材料科学与工程教授。他持有the Chemistry of Life Proyabovip2021cesses Institute、Simpson Querrey Institute和Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center of西北大学。苏默林还是佛罗里达大学大分子科学与工程中心的代理主任。

这项研究,“用变温液体细胞透射电子显微镜探测热响应聚合诱导的自组装”,通过陆军研究办公室得到了美国国防部的支持(W911NF-17-1-0326)。另一项合作来自圣地亚哥加利福尼亚大学的研究人员。

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