I ricercatori della Northwestern hanno sviluppato un nuovo metodo di microscopia che consente agli scienziati di vedere gli elementi costitutivi dei materiali "intelligenti" che si formano su scala nanometrica.

Il processo chimico è destinato a trasformare il futuro dell'acqua pulita e dei medicinali e per la prima volta le persone potranno osservare il processo in azione.

"Il nostro metodo ci permette di visualizzare questa classe di polimerizzazione in tempo reale, su scala nanometrica, che non è mai stato fatto prima, ", ha affermato Nathan Gianneschi della Northwestern. "Ora abbiamo la capacità di vedere la reazione in atto, vedere queste nanostrutture in formazione, e impara come sfruttare le cose incredibili che possono fare."

La ricerca è stata pubblicata oggi (22 dicembre) sulla rivista Questione .

Il paper è il risultato di una collaborazione tra Gianneschi, il direttore associato dell'International Institute for Nanotechnology e Jacob and Rosalind Cohn Professor of Chemistry presso il Weinberg College of Arts and Sciences, e Brent Sumerlin, il George and Josephine Butler Professor of Polymer Chemistry presso il College of Liberal Arts &Sciences dell'Università della Florida.

La polimerizzazione a dispersione è un processo scientifico comune utilizzato per produrre medicinali, cosmetici, lattice e altri oggetti, spesso su scala industriale. E su scala nanometrica, la polimerizzazione può essere utilizzata per creare nanoparticelle con proprietà uniche e preziose.

Questi nanomateriali sono molto promettenti per l'ambiente, dove possono essere utilizzati per assorbire le fuoriuscite di petrolio o altri inquinanti senza danneggiare la vita marina. In medicina, come fondamento di sistemi di somministrazione di farmaci "intelligenti", può essere progettato per entrare nelle cellule umane e rilasciare molecole terapeutiche in condizioni specificate.

Ci sono state difficoltà nell'aumentare la produzione di questi materiali. Inizialmente, la produzione è stata ostacolata dal lungo processo necessario per crearli e quindi attivarli. Una tecnica chiamata autoassemblaggio indotto dalla polimerizzazione (PISA) combina passaggi e consente di risparmiare tempo, ma il comportamento delle molecole durante questo processo si è rivelato difficile da prevedere per un semplice motivo:gli scienziati non sono stati in grado di osservare ciò che stava realmente accadendo.

Le reazioni su scala nanometrica sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo. I metodi di imaging tradizionali possono catturare solo il risultato finale della polimerizzazione, non il processo con cui si verifica. Gli scienziati hanno cercato di aggirare questo problema prelevando campioni in vari punti del processo e analizzandoli, ma usare solo istantanee non è riuscito a raccontare la storia completa dei cambiamenti chimici e fisici che si verificano durante il processo.

"È come confrontare alcune foto di una partita di calcio con le informazioni contenute in un video dell'intera partita, " disse Gianneschi. "Se comprendi il percorso attraverso il quale si forma una sostanza chimica, se puoi vedere come è successo, allora puoi imparare come velocizzarlo, e puoi capire come perturbare il processo in modo da ottenere un effetto diverso."

La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) è in grado di acquisire immagini con una risoluzione sub-nanometrica, ma è generalmente utilizzato per campioni congelati, e non gestisce anche le reazioni chimiche. Con TEM, un fascio di elettroni viene sparato attraverso il vuoto, verso il soggetto; studiando gli elettroni che escono dall'altra parte, un'immagine può essere sviluppata. Però, la qualità dell'immagine dipende dal numero di elettroni emessi dal raggio e l'emissione di troppi elettroni influenzerà l'esito della reazione chimica. In altre parole, è un caso dell'effetto osservatore:osservare l'autoassemblaggio potrebbe alterare o addirittura danneggiare l'autoassemblaggio. Quello che ottieni è diverso da quello che avresti avuto se non avessi guardato.

Per risolvere il problema, i ricercatori hanno inserito i materiali polimerici su scala nanometrica in una cella liquida chiusa che avrebbe protetto i materiali dal vuoto all'interno del microscopio elettronico. Questi materiali sono stati progettati per essere reattivi ai cambiamenti di temperatura, quindi l'autoassemblaggio comincerebbe quando l'interno della cella a liquido ha raggiunto una temperatura impostata.

La cella liquida era racchiusa in un chip di silicio con piccoli, ma potente, elettrodi che fungono da elementi riscaldanti. Incorporato nel chip c'è una minuscola finestra, di dimensioni 200 x 50 nanometri, che consentirebbe a un raggio a bassa energia di passare attraverso la cella liquida.

Con il chip inserito nel supporto del microscopio elettronico, la temperatura all'interno della cella liquida viene aumentata a 60˚C, iniziando l'autoassemblaggio. Attraverso la piccola finestra, si potrebbe registrare il comportamento dei copolimeri a blocchi e il processo di formazione.

Quando il processo è stato completato, Il team di Gianneschi ha testato i nanomateriali risultanti e ha scoperto che erano gli stessi nanomateriali comparabili prodotti all'esterno di una cella liquida. Ciò ha confermato che la tecnica, che chiamano microscopia elettronica a trasmissione di celle liquide a temperatura variabile (VC-LCTEM), può essere utilizzata per comprendere il processo di polimerizzazione su nanoscala mentre si verifica in condizioni ordinarie.

Di particolare interesse sono le forme che si generano durante la polimerizzazione. In diversi stadi le nanoparticelle possono assomigliare a sfere, vermi o meduse, ognuna delle quali conferisce proprietà diverse al nanomateriale. Comprendendo cosa sta accadendo durante l'autoassemblaggio, i ricercatori possono iniziare a sviluppare metodi per indurre forme specifiche e regolarne gli effetti.

"Queste nanoparticelle intricate e ben definite si evolvono nel tempo, formandosi e poi trasformandosi man mano che crescono, " Ha detto Sumerlin. "La cosa incredibile è che siamo in grado di vedere come e quando queste transizioni si verificano in tempo reale".

Gianneschi ritiene che le intuizioni acquisite da questa tecnica porteranno a possibilità senza precedenti per lo sviluppo e la caratterizzazione di materiali di materia soffice auto-organizzati e discipline scientifiche oltre la chimica.

"Pensiamo che questo possa diventare uno strumento utile anche nella biologia strutturale e nella scienza dei materiali, " ha detto Gianneschi. "Integrando questo con algoritmi di machine learning per analizzare le immagini, e continuando a perfezionare e migliorare la risoluzione, avremo una tecnica che può far progredire la nostra comprensione della polimerizzazione su scala nanometrica e guidare la progettazione di nanomateriali che possono potenzialmente trasformare la medicina e l'ambiente".