Yu Yuan, un dottorato di ricerca del secondo anno studente al Wilson College of Textiles della NC State University, sta lavorando per creare tessuti che filtrino l'anidride carbonica (CO2) utilizzando le più recenti tecniche scientifiche di sintesi e imaging. Conosciuti come tessuti biocatalitici, questi materiali potrebbero fungere da scrubber sostenibili per la cattura della CO2 utilizzando enzimi intrappolati in polimeri a base biologica per catalizzare l'idratazione della CO2.

"Si tratta di nuovi materiali che combinano le proprietà catalitiche degli enzimi con la flessibilità dei tessuti, "ha detto Yuan.

Quando iniziò i suoi studi di dottorato, Yuan, che ha un background di ricerca in scienze tessili, voleva saperne di più sulle diverse proprietà di enzimi e polimeri che potrebbero essere utilizzati per migliorare le prestazioni dei tessuti biocatalitici. Così ha iniziato a prendere lezioni di biochimica.

È così che Yuan ha sentito parlare per la prima volta dello scattering di neutroni da Flora Meilleur, un membro di facoltà congiunto presso NC State. Meilleur è anche un biologo strutturale presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), specializzato in chimica delle proteine ​​e cristallografia di neutroni presso le due sorgenti di neutroni dell'ORNL:la Spallation Neutron Source (SNS) e l'High Flux Isotope Reactor ( HFI).

SNS e HFIR sono DOE Office of Science User Facilities che attraggono annualmente più di 1, 200 ricercatori a Oak Ridge per visualizzare e analizzare i materiali e le loro proprietà utilizzando neutroni, particelle elettricamente neutre che si disperdono dagli atomi di un materiale, generando dati strutturali che spesso non possono essere ottenuti con altre tecniche come i raggi X. La natura non invasiva dei neutroni li rende uno strumento ideale per lo studio di materiali biologici, come i polimeri a cui Yuan è interessata per le sue ricerche.

A NC State, Yuan utilizza tecniche di elettroni e raggi X per studiare le strutture e le interazioni di polimeri e proteine ​​enzimatiche per i suoi tessuti, ma questi metodi non producevano tutti i dati di cui aveva bisogno.

"La sfida nell'usare gli elettroni è che i materiali che sto ricercando sono a base biologica, e non hanno abbastanza elettroni per interagire con la sonda, " ha detto Yuan. "Ma i neutroni possono riempire questo buco nella caratterizzazione".

Un membro del dottorato di ricerca di Yuan. Comitato, Meilleur le indicò il potenziale dei neutroni. Meilleur ha condiviso articoli sulla diffusione dei neutroni, ma Yuan aveva ancora domande su come funzionavano gli strumenti e su come avrebbe interpretato e utilizzato i dati.

"Come si trasformano i dati sulla diffusione dei neutroni nelle informazioni che si desidera?" lei chiese.

Meilleur ha suggerito a Yuan di visitare il Centro per la biologia molecolare strutturale (CSMB) dell'ORNL e le strutture per gli utenti di neutroni per ottenere un'introduzione immersiva alla scienza dei neutroni. CSMB gestisce uno strumento di diffusione di neutroni chiamato Bio-SANs che è dedicato a campioni biologici a HFIR, e un laboratorio di biodeuterazione per la preparazione di campioni biologici per l'analisi dei neutroni.

"Incontrare scienziati esperti e visitare strutture è il modo migliore per uno studente laureato di conoscere nuove tecniche e scoprire come possono essere applicate nella propria area di ricerca, " Ha detto Meilleur. "L'opportunità di Yue di trascorrere una settimana all'ORNL è stata un'opportunità inestimabile, concreta esperienza di apprendimento».

Yuan ha fatto domanda per un'opportunità di sovvenzione per lo sviluppo professionale dal Wilson College of Textiles attraverso l'Ellen Rohde Leadership Initiative, che mira a sostenere le donne del college con una formazione alla leadership. Attraverso l'iniziativa, Yue ha ricevuto un finanziamento per un viaggio di una settimana a Oak Ridge.

"All'inizio, Ero titubante perché avevo una conoscenza limitata dei neutroni, ma dopo aver visitato, è chiaro cosa è possibile, " Yuan ha detto. "Ho parlato con esperti di enzimi, biomolecole, e polimeri e ho ricevuto feedback positivi sul mio lavoro."

Durante la sua visita, Yuan ha visitato entrambe le strutture per gli utenti di neutroni e ha incontrato gli scienziati dell'ORNL, compreso Hugh O'Neill, Direttore CSMB; Dean Myles, uno scienziato dello strumento per il diffrattometro IMAGINE per la biochimica presso HFIR; Volker urbano, uno scienziato dello strumento per Bio-SANS; Hassina Bilheux, uno scienziato dello strumento per il Neutron Imaging Facility presso HFIR; Laura Stingaciu, uno scienziato dello strumento per il Neutron Spin Echo Spectrometer presso SNS; John Ankner, uno scienziato dello strumento per il riflettometro di liquidi presso SNS; Kevin Weiss, un chimico proteico CSMB; Kunlun Hong, uno scienziato dei materiali del Centro per le scienze dei nanomateriali; e Tomonori Saito, un chimico di polimeri sintetici ed esperto nella separazione della CO2.

"Ho visitato diverse linee di luce e parlato con esperti del potenziale di diversi strumenti per la mia ricerca. Quello che ho trovato in Oak Ridge erano strumenti di livello mondiale, "ha detto Yuan.

Durante i suoi incontri con gli scienziati dei neutroni dell'ORNL, Yuan ha discusso di tecniche come la riflettometria per lo studio di superfici e interfacce e la spettroscopia per misurare il movimento atomico e il magnetismo.

"Ho trovato scienziati disposti ad aiutare, " ha detto. "Ho imparato come avviare esperimenti e che tipo di sfide potrei incontrare".

Yuan e Meilleur si incontravano quotidianamente per discutere quali informazioni Yuan trovasse utili per la sua ricerca sui tessuti biocatalitici.

"Tornerei dal Dr. Meilleur alla fine di ogni giornata con un feedback, quindi abbiamo continuato ad aggiornare il mio programma per il giorno successivo, "ha detto Yuan.

Tra gli obiettivi di Yuan per la sua settimana all'ORNL, ha chiesto consiglio sulla scrittura di una proposta per il tempo del fascio a SNS e HFIR in modo da poter applicare la sua conoscenza diretta dei neutroni alla raccolta di dati e al progresso della sua ricerca.

"Ora so che ci sono strumenti a neutroni che possono essere collegati alla mia ricerca e che funzioneranno insieme alla microscopia elettronica in modo da poter studiare la dinamica dei polimeri, "ha detto Yuan.