I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno ideato una nuova tecnica, utilizzando un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo, per visualizzare la struttura delle molecole. La tecnica, che è stato utilizzato per ottenere le prime immagini dirette di come l'acqua riveste le superfici a temperatura ambiente, può essere utilizzato anche per visualizzare un numero potenzialmente illimitato di altre molecole, compresi anticorpi e altre biomolecole.

Un articolo che descrive il metodo e gli studi degli strati d'acqua appare nel numero del 3 settembre della rivista Scienza .

"Quasi tutte le superfici hanno una patina d'acqua, "dice James Heath, l'Elizabeth W. Gilloon Professor e professore di chimica al Caltech, "e che l'acqua domina le proprietà interfacciali", proprietà che influenzano l'usura su quella superficie. Mentre i rivestimenti superficiali dell'acqua sono onnipresenti, sono anche molto difficili da studiare, perché le molecole d'acqua sono "in costante flusso, e non stare fermo abbastanza a lungo da consentire le misurazioni, " lui dice.

Quasi per caso, Heath e i suoi colleghi hanno sviluppato una tecnica per individuare le molecole in movimento, in condizioni di temperatura ambiente. "È stato un felice incidente, uno di cui siamo stati abbastanza intelligenti da riconoscere il significato di, "dice. "Stavamo studiando il grafene su una superficie atomicamente piatta di mica e abbiamo trovato alcune strutture a forma di isola su scala nanometrica intrappolate tra il grafene e la mica che non ci aspettavamo di vedere".

Grafene, che è composto da uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo in un reticolo a nido d'ape (come filo di pollo, ma su scala atomica), dovrebbe essere completamente piatto quando viene stratificato su una superficie atomicamente piatta. Heath e i suoi colleghi, l'ex studente laureato al Caltech Ke Xu, ora all'Università di Harvard, e lo studente laureato Peigen Cao, pensavano che le anomalie potessero essere acqua, catturato e intrappolato sotto il grafene; molecole d'acqua, Dopotutto, sono ovunque.

Per testare l'idea, i ricercatori hanno condotto altri esperimenti in cui hanno depositato i fogli di grafene a diversi livelli di umidità. Le strane strutture sono diventate più prevalenti a umidità più elevata, e scomparve in condizioni completamente asciutte, portando i ricercatori a concludere che erano effettivamente molecole d'acqua ricoperte dal grafene. Heath e i suoi colleghi si sono resi conto che il foglio di grafene era "atomicamente conforme":abbracciava le molecole d'acqua così strettamente, quasi come un termoretraibile, che ha rivelato la loro struttura atomica dettagliata quando esaminata con la microscopia a forza atomica. (I microscopi a forza atomica utilizzano una sonda meccanica essenzialmente per "sentire" le superfici degli oggetti.)

"La tecnica è semplicissima—è straordinario che funzioni, " dice Heath. Il metodo, lui spiega, "è un po' come il modo in cui le persone spruzzano carbonio o oro sulle cellule biologiche in modo da poterle visualizzare. Il carbonio o l'oro fissano le cellule. Qui, il grafene modella perfettamente le molecole d'acqua debolmente adsorbite sulla superficie e le tiene in posizione, per almeno un paio di mesi».

Usando la tecnica, i ricercatori hanno rivelato nuovi dettagli su come l'acqua ricopre le superfici. Hanno scoperto che il primo strato d'acqua sulla mica è in realtà spesso due molecole d'acqua, e ha la struttura del ghiaccio. Una volta che lo strato è completamente formato, un secondo, si forma uno strato di ghiaccio spesso due molecole. Oltre a ciò, "ottieni goccioline, " Dice Heath. "È davvero sorprendente che i primi due strati d'acqua adsorbiti formino isole microscopiche simili a ghiaccio a temperatura ambiente, " dice Xu. "Queste affascinanti strutture sono probabilmente importanti nel determinare le proprietà superficiali dei solidi, Compreso, Per esempio, lubrificazione, adesione, e corrosione."

Da allora i ricercatori hanno testato con successo altre molecole su altri tipi di superfici atomicamente piatte:tale planarità è necessaria in modo che le molecole non si annidino nelle imperfezioni della superficie, distorcendo la loro struttura misurata attraverso lo strato di grafene. "Dobbiamo ancora trovare un sistema per il quale questo non funzioni, " afferma Heath. Lui e i suoi colleghi stanno ora lavorando per migliorare la risoluzione della tecnica in modo che possa essere utilizzata per visualizzare la struttura atomica di biomolecole come anticorpi e altre proteine. "Abbiamo precedentemente osservato singoli atomi nel grafene utilizzando il tunneling di scansione microscopio, " dice Cao. "Risoluzione simile dovrebbe essere raggiungibile anche per le molecole ricoperte di grafene".

"Potremmo stendere il grafene su molecole biologiche, comprese le molecole in ambienti almeno parzialmente acquosi, perché puoi avere acqua presente e potenzialmente ottenere la loro struttura 3D, " dice Heath. Potrebbe anche essere possibile determinare la struttura di molecole complicate, come i complessi proteico-proteici, "che sono molto difficili da cristallizzare, " lui dice.

Considerando che i dati di una molecola potrebbero rivelare la struttura grossolana, i dati da 10 riveleranno caratteristiche più fini e l'assemblaggio computazionale dei dati da 1, 000 molecole identiche potrebbero rivelare ogni angolo atomico.

Se immagini che il grafene avvolto su una molecola sia come un lenzuolo gettato su un gatto addormentato sul tuo letto, Heath spiega, avere un'immagine del grumo coperto di lenzuolo, in un orientamento, "ti dirà che è un piccolo animale, non una scarpa. Con 10 immagini, puoi dire che è un gatto e non un coniglio. Con molte altre immagini, saprai se è un gatto soffice, anche se non vedrai mai le strisce del tabby".