Proprio come le proteine ​​sono uno dei mattoni fondamentali della biologia, le nanoparticelle possono fungere da elementi costitutivi di base per i materiali di prossima generazione. In linea con questo parallelo tra biologia e nanotecnologia, una tecnica collaudata per determinare le strutture tridimensionali delle singole proteine ​​è stata adattata per determinare le strutture 3D delle singole nanoparticelle in soluzione.

Un team multi-istituzionale di ricercatori guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha sviluppato una nuova tecnica denominata "SINGLE" che fornisce le prime immagini su scala atomica di nanoparticelle colloidali. SEPARARE, che sta per 3D Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy, è stato utilizzato per ricostruire separatamente le strutture 3D di due singole nanoparticelle di platino in soluzione.

"La comprensione dei dettagli strutturali delle nanoparticelle colloidali è necessaria per collegare le nostre conoscenze sulla loro sintesi, meccanismi di crescita, e proprietà fisiche per facilitare la loro applicazione alle energie rinnovabili, catalisi e molti altri campi, " dice il direttore del Berkeley Lab e rinomata autorità di nanoscienza Paul Alivisatos, che ha condotto questa ricerca. "Mentre la maggior parte degli studi strutturali sulle nanoparticelle colloidali vengono eseguiti nel vuoto dopo che la crescita dei cristalli è stata completata, il nostro metodo SINGLE ci permette di determinare la loro struttura 3D in una soluzione, un passo importante per migliorare la progettazione di nanoparticelle per applicazioni di catalisi e ricerca energetica."

Alivisato, che detiene anche la Samsung Distinguished Chair in Nanoscience and Nanotechnology presso l'Università della California a Berkeley, e dirige il Kavli Energy NanoSciences Institute a Berkeley (Kavli ENSI), è l'autore corrispondente di un articolo che descrive in dettaglio questa ricerca sulla rivista Scienza . Il documento è intitolato "Struttura 3D di singoli nanocristalli in soluzione mediante microscopia elettronica". I coautori principali sono Jungwon Park dell'Università di Harvard, Hans Elmlund della Monash University in Australia, e e Peter Ercius del Berkeley Lab. Altri coautori sono Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Sang Hoon Han, David Weitz e Alex Zettl.

Le nanoparticelle colloidali sono gruppi di centinaia o migliaia di atomi sospesi in una soluzione le cui proprietà chimiche e fisiche collettive sono determinate dalla dimensione e dalla forma delle singole nanoparticelle. Le tecniche di imaging utilizzate abitualmente per analizzare la struttura 3D dei singoli cristalli in un materiale non possono essere applicate ai nanomateriali sospesi perché le singole particelle in una soluzione non sono statiche. La funzionalità delle proteine ​​è determinata anche dalla loro dimensione e forma, e gli scienziati che volevano visualizzare le strutture proteiche 3D hanno affrontato un problema simile. Il problema dell'imaging delle proteine ​​è stato risolto con una tecnica chiamata "microscopia crioelettronica a particella singola, " in cui decine di migliaia di immagini al microscopio elettronico a trasmissione 2D (TEM) di copie identiche di una singola proteina o di un complesso proteico congelato in orientamenti casuali vengono registrate e poi combinate computazionalmente in ricostruzioni 3D ad alta risoluzione. Alivisatos e i suoi colleghi hanno utilizzato questo concetto per creare la loro tecnica UNICA.

"Nella scienza dei materiali, non possiamo presumere che le nanoparticelle in una soluzione siano tutte identiche, quindi avevamo bisogno di sviluppare un approccio ibrido per ricostruire le strutture 3D delle singole nanoparticelle, " dice il co-autore principale del Scienza carta Pietro Ercio, uno scienziato del personale con il Centro Nazionale per la Microscopia Elettronica (NCEM) presso la Molecular Foundry, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"SINGLE rappresenta una combinazione di tre progressi tecnologici dall'imaging TEM nella scienza biologica e dei materiali, "Ercius dice. "Questi tre progressi sono lo sviluppo di una cella liquida al grafene che consente l'imaging TEM di nanoparticelle che ruotano liberamente in soluzione, rilevatori di elettroni diretti in grado di produrre filmati con risoluzione temporale frame-to-frame di millisecondi dei nanocristalli rotanti, e una teoria per la ricostruzione 3D ab initio di singole particelle."

Anche la cella liquida al grafene (GLC) che ha contribuito a rendere possibile questo studio è stata sviluppata presso il Berkeley Lab sotto la guida di Alivisatos. L'imaging TEM utilizza un raggio di elettroni anziché la luce per l'illuminazione e l'ingrandimento, ma può essere utilizzato solo in un vuoto spinto perché le molecole nell'aria interrompono il raggio di elettroni. Poiché i liquidi evaporano in alto vuoto, i campioni in soluzioni devono essere sigillati ermeticamente in speciali contenitori solidi - chiamati celle - con una finestra di visualizzazione molto sottile prima di essere ripresi 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 campione. Il GLC sviluppato presso il laboratorio di Berkeley presenta una finestra di visualizzazione costituita da un foglio di grafene dello spessore di un solo atomo.

"Il GLC ci fornisce una copertura ultrasottile delle nostre nanoparticelle mantenendo le condizioni liquide nel vuoto TEM, " dice Ercius. "Poiché la superficie del grafene del GLC è inerte, non assorbe né perturba in altro modo lo stato naturale delle nostre nanoparticelle".

Lavorando nel TEAM I di NCEM, il microscopio elettronico più potente del mondo, Ercio, Alivisatos ei suoi colleghi sono stati in grado di visualizzare in situ i movimenti di traslazione e rotazione di singole nanoparticelle di platino con un diametro inferiore a due nanometri. Le nanoparticelle di platino sono state scelte per la loro elevata forza di diffusione degli elettroni e perché la loro struttura atomica dettagliata è importante per la catalisi.

"I nostri precedenti studi GLC sui nanocristalli di platino hanno mostrato che crescono per aggregazione, risultando in strutture complesse che non è possibile determinare con alcun metodo precedentemente sviluppato, " dice Ercius. "Poiché SINGLE deriva le sue strutture 3D da immagini di singole nanoparticelle che ruotano liberamente in soluzione, consente l'analisi di popolazioni eterogenee di nanoparticelle potenzialmente non ordinate che vengono sintetizzate in soluzione, fornendo così un mezzo per comprendere la struttura e la stabilità dei difetti su scala nanometrica".

Il prossimo passo per SINGLE è recuperare una mappa di densità 3D a risoluzione atomica completa di nanoparticelle colloidali utilizzando una fotocamera più avanzata installata su TEAM I in grado di fornire 400 fotogrammi al secondo e una migliore qualità dell'immagine.

"Abbiamo in programma di visualizzare i difetti nelle nanoparticelle realizzate con materiali diversi, particelle di guscio centrale, e anche leghe costituite da due diverse specie atomiche, "dice Ercio.