В течение десятилетий эти мощные инструменты были ограничены статическими снимками образцов, которые рассказывают только часть истории. Теперь исследователи из Северо-Западного университета и Университета Флориды заполняют пробелы, чтобы сделать эту историю более полной.Команда является частью усилий по разработке нового типа ПЭМ, который снимает динамические многокадровые видеозаписи наночастиц по мере их формирования, что позволяет исследователям наблюдать, как образцы меняются в пространстве и времени. Знание того, как формируются эти частицы, может изменить то, как исследователи будут проектировать будущие системы доставки лекарств, краски, покрытия, смазки и другие материалы, для которых контроль над наноразмерными свойствами может оказать большое влияние на материалы макромасштабного уровня.
«Мы продемонстрировали, что ПЭМ не обязательно должен быть методом микроскопии, используемым исключительно для анализа того, что произошло постфактум — после того, как реакция закончилась», — сказал Натан Джаннески, профессор химии, биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии Северо-Западного университета. со-руководил исследованием. «Но, скорее, то, что его можно использовать для визуализации реакций, когда они происходят».«Раньше у нас были только снимки того, как все выглядело в определенные моменты времени», — сказал Брент Сумерлин, профессор химии Джорджа Бергена Батлера из Университета Флориды, который вместе с Джаннески руководил исследованием. «Теперь мы начинаем видеть эволюцию материалов в реальном времени, поэтому мы можем видеть, как происходят преобразования. Это потрясающе».Исследование было опубликовано сегодня, 25 апреля, в журнале ACS Central Science.
Молли А. Тув, аспирант лаборатории Джаннески, является первым автором статьи.Новая технология Джаннески и Сумерлина состоит из трех основных компонентов: самосборки, вызванной полимеризацией (PISA), роботизированной системы, которая собирает эксперименты, и камеры, прикрепленной к микроскопу, которая фиксирует частицы по мере их образования и изменения.Являясь экспертом в PISA, Сумерлин долгое время использовал в своей лаборатории технику, которая позволяет создавать большие количества четко определенных мягких материалов.
Он специально использует PISA для формирования самособирающихся мицелл, типа сферического наноматериала, который может применяться во многих областях — от мыла до адресной доставки лекарств.Хотя мицеллы хорошо известны своими интересными функциями, существуют пробелы в знаниях о том, как они на самом деле образуются. Джаннески и Сумерлин задались вопросом, могут ли они использовать электронный микроскоп, чтобы наблюдать за мицеллами в действии, когда они самостоятельно собираются с помощью PISA.
«Поскольку эти материалы имеют нанометровую шкалу длины, нам, очевидно, был нужен электронный микроскоп, чтобы наблюдать за ними», — сказал Джаннески, член Северо-западного международного института нанотехнологий. «Итак, по сути, мы хотели использовать электронный микроскоп в качестве пробирки».Роботизированная система команды собрала все химические вещества, необходимые для создания частиц, с высокой точностью и воспроизводимостью. Затем электронный луч микроскопа вызвал реакцию, которая заставила мицеллы начать формироваться.
Хотя система камеры Джаннески не фиксировала всю трансформацию мицелл, она позволила исследователям увидеть ее часть.«Я приятно удивлен, что мы справились с этой задачей», — сказал Джаннески. «Но оптимизация системы — чтобы мы могли видеть всю траекторию реакции — будет держать нас в напряжении в течение следующих нескольких лет».Тем не менее, Джаннески и Сумерлин довольны тем, что они внесли важный элемент в электронную микроскопию: время. Джаннески сравнивает их достижения с процессом приготовления.
«Представьте, что вы готовите ужин, но не можете его смотреть», — сказал он. «Вы можете следовать рецепту, но не совсем понимаете, как это происходит. Вы не можете смотреть, как мясо подрумянивается на плите или поднимается тесто.
Вы должны иметь возможность наблюдать это напрямую. Обычно мы воспринимаем это как должное. жизнь."«При традиционном химическом анализе иногда получается двумерная линия с несколькими пиками и спадами, и мы используем это, чтобы получить представление о том, что происходит», — добавил Сумерлин. «Но теперь мы фактически создаем наноструктуры и наблюдаем, как они формируются.
Это большое изменение».