(Phys.org) —L'autunno di solito non è un periodo così bello per i grandi film con effetti speciali poiché i blockbuster estivi sono sbiaditi e quelli per le festività natalizie non sono ancora stati aperti. L'autunno è più spesso il momento per film riflessivi su piccoli argomenti, il che lo rende perfetto per la presentazione di un nuovo film prodotto dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Attraverso una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e la loro unica cella liquida al grafene, i ricercatori hanno registrato il movimento tridimensionale del DNA collegato ai nanocristalli d'oro. Questa è la prima volta che TEM è stato utilizzato per l'imaging dinamico 3D dei cosiddetti materiali morbidi.

"La nostra dimostrazione dell'imaging dinamico 3D va oltre l'uso convenzionale di TEM nel vedere piatto, campioni secchi e apre molte interessanti opportunità per lo studio della dinamica degli assemblaggi macromolecolari biologici e delle nanostrutture artificiali, "dice il fisico Alex Zettl, uno dei protagonisti di questa ricerca. "Questi risultati sono stati resi possibili dalla nostra nuova cella liquida al grafene, che può affrontare le sfide dell'utilizzo di TEM per l'immagine di materiali morbidi."

Zettl, che ricopre incarichi congiunti con la Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley dove dirige il Centro di Sistemi Nanomeccanici Integrati, è uno dei coautori di un articolo in Lettere NANO descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Movimento 3D dei nanoconiugati DNA-Au nella microscopia elettronica a cellule liquide di grafene".

Paolo Alivisato, Berkeley Lab Director e Samsung Distinguished Chair in Nanoscience and Nanotechnology di UC Berkeley, è l'autore corrispondente. Altri autori sono Qian Chen, Jessica Smith, Parco Jungwon, Kwanpyo Kim, Davy Ho e Haider Rasool.

Il termine "materiali morbidi" comprende una vasta gamma di cose, compreso il DNA, proteine ​​e altri composti biologici, plastica, farmaci terapeutici, elettronica flessibile, e alcuni tipi di fotovoltaico. Nonostante la loro presenza onnipresente nella nostra vita quotidiana, i materiali morbidi pongono molte domande perché lo studio delle loro dinamiche su scala nanometrica, soprattutto sistemi biologici, è stata una sfida. TEM, in cui un fascio di elettroni invece della luce viene utilizzato per l'illuminazione e l'ingrandimento, fornisce la risoluzione per tali studi, ma può essere utilizzato solo in un vuoto spinto poiché le molecole nell'aria interrompono il fascio di elettroni. Poiché i liquidi evaporano in alto vuoto, campioni di materiali morbidi, che sono stati descritti come "fluidi altamente viscosi, " deve essere sigillato ermeticamente in speciali contenitori solidi (chiamati celle) con una finestra di visualizzazione prima di essere ripreso con TEM.

Nel passato, le celle liquide presentavano finestre di visualizzazione a base di silicio il cui spessore limitava la risoluzione e perturbava lo stato naturale dei materiali morbidi. Zettl e Alivisatos ei rispettivi gruppi di ricerca hanno superato queste limitazioni con lo sviluppo di una cella liquida basata su una membrana di grafene spessa solo un atomo. Questo sviluppo è stato realizzato in stretta collaborazione con i ricercatori del National Center for Electron Microscopy (NCEM), che si trova al Berkeley Lab.

"Le nostre celle liquide di grafene hanno spinto la risoluzione spaziale dell'imaging TEM in fase liquida su scala atomica, ma si sono ancora concentrate sulle traiettorie di crescita dei nanocristalli metallici, ", afferma l'autore principale Qian Chen, borsista post-dottorato nel gruppo di ricerca di Alivisatos. "Ora abbiamo adottato la tecnica per l'imaging della dinamica 3D dei materiali morbidi, iniziando con un doppio filamento (dsDNA) collegato a nanocristalli d'oro e raggiungendo una risoluzione nanometrica".

Per creare la cella, due fogli di grafene opposti sono legati l'uno all'altro dalla loro attrazione di van der Waals. Questo forma una camera sigillata su scala nanometrica e crea all'interno della camera una tasca di soluzione acquosa stabile di circa 100 nanometri di altezza e un micron di diametro. La membrana di grafene spessa a singolo atomo delle cellule è essenzialmente trasparente al fascio di elettroni TEM, riducendo al minimo la perdita indesiderata di elettroni di imaging e fornendo contrasto e risoluzione superiori rispetto alle finestre a base di silicio. Le tasche acquose consentono fino a due minuti di imaging continuo di campioni di materiale morbido esposti a un fascio di elettroni di imaging da 200 kilo Volt. Durante questo periodo, i campioni di materiale morbido possono ruotare liberamente.

Dopo aver dimostrato che la loro cella liquida al grafene può sigillare una soluzione acquosa del campione contro un vuoto spinto TEM, i ricercatori di Berkeley lo hanno utilizzato per studiare i tipi di nanoconiugati oro-dsDNA che sono stati ampiamente utilizzati come sonde plasmoniche dinamiche.

"La presenza di molecole di DNA a doppio filamento incorpora le principali sfide dello studio della dinamica dei campioni biologici con TEM in fase liquida, " dice Alivisatos. "I nanocristalli d'oro ad alto contrasto facilitano il tracciamento dei nostri campioni".

I gruppi Alivisatos e Zettl hanno potuto osservare dimeri, coppie di nanoparticelle d'oro, legato da un singolo pezzo di dsDNA, e trimeri, tre nanoparticelle d'oro, collegati in una configurazione lineare da due singoli pezzi di dsDNA. Da una serie di immagini TEM proiettate in 2D catturate mentre i campioni ruotavano, i ricercatori dovevano ricostruire la configurazione 3D e i movimenti dei campioni mentre si evolvevano nel tempo.

"Queste informazioni sarebbero inaccessibili con le tecniche TEM convenzionali, " dice Chen.

Lo sviluppo della tecnica a celle liquide per TEM in situ, originariamente riportato sulla rivista Scienza nel 2012.