西北大学的研究人员开发了一种新的显微镜方法,可以让科学家看到在纳米尺度上形成的“智能”材料的组成部分。这一化学过程将改变净水和药物的未来,人们将首次能够亲眼目睹这一过程的实际运行。

(来源:西北大学)

分散聚合是一种常见的科学过程,用于制造药物、化妆品、乳胶和其他物品,通常是工业规模。在纳米尺度上,聚合可以用来制造具有独特和价值的纳米粒子。

这些纳米材料对环境有很大的前景,它们可以被用来吸收漏油或其他污染物,而不伤害海洋生物。在医学上,作为“智能”给药系统的基础,它可以被设计为在特定条件下进入人体细胞并释放治疗分子。

在扩大这些材料的生产方面存在困难。最初,通过创建的耗时的过程阻碍了生产,然后激活它们。一种称为聚合诱导的自组装(PISA)的技术结合了步骤并节省了时间,但是在此过程中的分子行为已经证明难以预测一种简单的原因:科学家无法观察到实际发生的事情。

纳米尺度的反应太小而无法用肉眼观察。传统的成像方法只能捕获聚合的最终结果,而不是其发生的过程。科学家通过在过程中的各个点处采样并分析它们来追溯到这一点,但仅使用快照未能讲述整个过程中发生的化学和物理变化的完整故事。

透射电子显微镜(TEM)能够以子纳米分辨率以亚纳米分辨率拍摄图像,但它通常用于冷冻样品,并且也没有处理化学反应。利用TEM,将电子束通过真空射向受试者;通过研究另一侧出来的电子,可以开发图像。然而,图像的质量取决于光束和烧制的电子射到了太多电子将影响化学反应的结果。换句话说,它是观察者效应的案例 - 观察自组装可以改变甚至损坏自组装。如果你不看,你最终与你所拥有的东西不同。

为了解决问题,研究人员将纳米级聚合物材料插入封闭的液体细胞中,该封闭的液体细胞将保护材料免受电子显微镜内的真空。这些材料设计成响应于温度的变化,因此当液体内部达到设定温度时,自组装将开始。

这种液体电池被封装在一个硅芯片中,芯片上有用作加热元件的小而强大的电极。芯片中嵌入了一个200 × 50纳米的小窗口,可以让低能光束通过液体电池。

将芯片插入电子显微镜的保持器中,液体电池内的温度升高至60℃,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。

当该过程完成时,该团队测试了所得的纳米材料,发现它们与在液体细胞外产生的可比较的纳米材料相同。这证实了它们呼叫可变温度液体透射电子显微镜(VC-LCTEM)的技术 - 可用于了解在普通条件下发生的纳米级聚合过程。

特别有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体、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了什么,研究人员可以开始开发方法来诱导特定的形状并调整它们的影响。

这些复杂而明确的纳米颗粒随着时间的推移不断进化,随着它们的生长而形成和变形。研究人员表示,“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。”

内森·戈尼斯教授认为,从这种技术中获得的见解将导致自我组织柔软物质材料的开发和表征的前所未有的可能性和超出化学的科学学科。

Gianneschi说:“我们认为这可以成为一种工具,在结构生物学和材料科学中也很有用。”“通过将这种技术与机器学习算法结合起来分析图像,并继续细化和提高分辨率,我们将拥有一种技术,可以推进我们对纳米尺度聚合的理解,并指导纳米材料的设计,这可能会改变医学和环境。”

欲了解更多信息,请联系莱拉·雷诺兹此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在5月,2021号问题光子与成像技术杂志。

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