Un team di ricercatori dell'UC San Diego, La Florida State University e i Pacific Northwest National Laboratories hanno visualizzato per la prima volta la crescita di complessi chimici "nanoscala" in tempo reale, dimostrando che i processi nei liquidi alla scala di un miliardesimo di metro possono essere documentati mentre avvengono.
Il raggiungimento, che renderanno possibili molti progressi futuri nella nanotecnologia, è dettagliato in un documento pubblicato online oggi nel Giornale della Società Chimica Americana . I chimici e gli scienziati dei materiali saranno in grado di utilizzare questo nuovo sviluppo nella loro ricerca di base e applicata, Per esempio, per comprendere meglio la formazione graduale delle nanostrutture.
In precedenza, gli scienziati hanno potuto esaminare i cambiamenti nelle nanostrutture solo osservando le alterazioni su larga scala di una grande popolazione di particelle o effettuando "schermate" in modo statico di singole nanostrutture con la microscopia elettronica.
"Questo processo è come scattare foto ogni 10 minuti di una partita di calcio e poi provare a mettere insieme queste foto per raccontare la storia di quello che è davvero un processo altamente dinamico, ' disse Nathan Gianneschi, un professore associato di chimica e biochimica alla UC San Diego che ha guidato lo sforzo di ricerca con Seth Cohen, presidente del Dipartimento di Chimica e Biochimica della UC San Diego.
'Fino ad ora, questo era lo stato dell'arte in termini di come documentare il modo in cui si sono formate le nanostrutture. Lo sviluppo che descriviamo nel nostro articolo dimostra che questi processi possono essere osservati in tempo reale, videoregistrando letteralmente questi processi a livello di nanoscala utilizzando un microscopio elettronico.'
Lo sviluppo ha impiegato un processo sviluppato di recente chiamato microscopia elettronica a trasmissione di cellule liquide. Microscopia elettronica a trasmissione, o TEM, è stato a lungo utilizzato dagli scienziati per visualizzare materiali su scala nanometrica e comprendere la struttura su scala nanometrica. Mentre i progressi in Liquid Cell TEM, o LCTEM, aveva permesso agli scienziati di visualizzare il movimento di oggetti su scala nanometrica nei liquidi, i ricercatori non avevano ancora trovato un modo per usarlo per visualizzare la crescita di complessi autoassemblati, nanostrutture chimiche.
"Abbiamo dimostrato per la prima volta che questa tecnica può essere utilizzata per osservare la crescita di materiali ibridi organico-inorganici complessi, fornendo una comprensione senza precedenti della loro formazione, — disse Gianneschi. "Questa dimostrazione segna un significativo passo avanti affinché LCTEM diventi essenziale per la nostra comprensione dei processi su scala nanometrica per tutti i materiali nei liquidi."
Il team di scienziati comprendeva Joseph Patterson e Michael Denny dell'UC San Diego, Patrizia Abellan, Nigel Browning e James Evans del Pacific Northwest National Laboratory e del Chiwoo Park dello stato della Florida. Patterson, il primo autore del saggio, ha eseguito tutta la microscopia a trasmissione di cellule liquide presso gli strumenti della UC San Diego e del PNNL con l'assistenza di Evans, chi è un esperto della tecnica, mentre Park era responsabile dell'analisi video.
Per rendere le cose semplici, i ricercatori si sono inizialmente proposti di studiare un sistema chimico noto per essere assemblato con un numero limitato di componenti e dare origine a materiali ben definiti.
"Abbiamo considerato le strutture metallo-organiche il punto di partenza perfetto per questo perché forniscono strutture ordinate attraverso un processo di assemblaggio e includono componenti organici e inorganici, — disse Gianneschi. 'Il primo passo è stato determinare se queste nanostrutture sarebbero sopravvissute all'esperimento. Ciò è necessario perché i materiali sono suscettibili di essere distrutti dal fascio di elettroni ad alta energia che viene utilizzato per visualizzarli. Una volta stabilite queste condizioni, siamo quindi stati in grado di far fluire i componenti nello strumento TEM, in solvente, e guarda come ha avuto luogo il processo di assemblaggio. Ciò è stato reso possibile utilizzando uno speciale supporto per cella campione per il TEM che ci ha permesso di mettere liquidi all'interno di una camera, all'interno dello strumento per alto vuoto. Potremmo quindi immaginare attraverso la camera, per vedere cosa c'è dentro.'
La dimostrazione degli scienziati che tali complessi chimici possono essere visualizzati in tempo reale suggerisce che i complessi processi di altri "delicati autoassemblaggi" potrebbero essere chiariti in maggiore dettaglio, come sostanze chimiche e virus prodotti biologicamente, che sono più di mille volte più piccoli dei batteri.
"Questo progresso fornisce uno strumento per osservare il materiale mentre si assembla con risoluzioni possibili solo utilizzando la microscopia elettronica, ' ha detto Gianneschi. 'Questo è, si possono osservare scale di lunghezza rilevanti per materiali e processi su scala nanometrica. In termini di dinamiche di imaging come questa, riteniamo che influirà sul modo in cui la nanotecnologia verrà sviluppata in futuro.'
