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新的电子显微镜技术可让您首先了解以前隐藏的过程

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西北研究人员开发了一种新的显微镜方法,使科学家能够看到正在纳米级形成的“智能”材料的基本组成部分。该化学过程被设置为改造的清洁水和药品的未来,并首次人就能观看过程中的作用。

美国西北航空的内森·吉安斯基说:“我们的方法使我们能够实时地以纳米级可视化此类聚合反应,这是前所未有的。” “我们现在有能力看到反应的发生,看到这些纳米结构的形成,并学习如何利用它们可以做的不可思议的事情。”

这项研究今天(12月22日)发表在《物质》杂志上。

该论文是国际纳米技术研究所副所长Gianneschi与温伯格文理学院的Jacob and Rosalind Cohn化学教授,以及George and Josephine Butler聚合物教授Brent Sumerlin合作的结果佛罗里达大学文理学院化学专业。

分散聚合是通常用于工业规模生产药物,化妆品,乳胶和其他物品的常见科学过程。在纳米级,聚合可用于制造具有独特和有价值特性的纳米粒子。

这些纳米材料对环境具有广阔的前景,可用于吸收溢油或其他污染物而不会损害海洋生物。在医学中,作为“智能”药物输送系统的基础,可以将其设计为进入人类细胞并在特定条件下释放治疗性分子。

在扩大这些材料的生产方面存在困难。最初,生产受到创建和激活它们所需的耗时过程的阻碍。一种称为聚合诱导自组装(PISA)的技术结合了步骤并节省了时间,但是事实证明,在此过程中分子的行为很难预测,原因很简单:科学家无法观察到实际发生的事情。

纳米级的反应太小,无法用肉眼看到。传统的成像方法只能捕获聚合的最终结果,而不能捕获聚合发生的过程。科学家们试图通过在过程中的各个点取样并进行分析来解决此问题,但是仅使用快照并不能完整地说明整个过程中发生的化学和物理变化。

Gianneschi说:“这就像将足球比赛的几张照片与整个比赛视频中包含的信息进行比较一样。” “如果您了解化学物质形成的途径,可以看到它是如何发生的,那么您可以学习如何加快化学反应的速度,并且可以弄清楚如何扰乱该过程,从而获得不同的效果。”

透射电子显微镜(TEM)能够以亚纳米分辨率拍摄图像,但通常用于冷冻样品,并且也无法处理化学反应。使用透射电子显微镜,电子束会通过真空射向对象;通过研究从另一面出来的电子,可以显影图像。但是,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,这是观察者效应的一种情况-观察自组装可能会改变甚至损坏自组装。最终的结果与您不看的情况会有所不同。

为了解决该问题,研究人员将纳米级聚合物材料插入到密闭的液体槽中,以保护材料免受电子显微镜内部的真空的影响。这些材料被设计为对温度变化敏感,因此,自组装将在液体池内部达到设定温度时开始。

液体电池被封装在硅芯片中,硅芯片具有小但功能强大的电极,可作为加热元件。嵌入在芯片中的是一个很小的窗口(尺寸为200 x 50纳米),该窗口将允许低能量束穿过液体池。

将芯片插入电子显微镜的支架后,液体池内部的温度升至60°C,从而开始自组装。通过微小的窗口,可以记录嵌段共聚物的行为和形成过程。

当该过程完成后,Giansneschi的团队测试了所得的纳米材料,发现它们与在液池外生产的可比纳米材料相同。这证实了该技术-他们称为可变温度液体-细胞透射电子显微镜(VC-LCTEM)-可用于了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过程中产生的形状。在不同的阶段,纳米粒子可能类似于球形,蠕虫或水母,每种都赋予纳米材料不同的特性。通过了解自组装过程中发生的事情,研究人员可以开始开发诱导特定形状并调整其效果的方法。

Sumerlin说:“这些复杂且定义明确的纳米粒子会随着时间的流逝而形成,并随着它们的生长而变形。” “令人难以置信的是,我们能够实时看到这些转换的方式和时间。”

Gianneschi认为,从该技术中获得的见识将为自组织软物质材料以及化学以外的科学学科的开发和表征带来前所未有的可能性。

Gianneschi说:“我们认为这也可以成为对结构生物学和材料科学有用的工具。” “通过将其与机器学习算法集成在一起以分析图像,并继续完善和提高分辨率,我们将拥有一种技术,该技术可以增进我们对纳米级聚合的理解,并指导可以潜在转化的纳米材料设计药物和环境。”

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