I chimici della UC San Diego hanno sviluppato un nuovo strumento che consente agli scienziati per la prima volta di vedere, alla scala di cinque miliardesimi di metro, processi di miscelazione "nanoscala" che avvengono nei liquidi.

"Essere in grado di osservare i gradienti chimici e le reazioni su nanoscala mentre si verificano è uno strumento fondamentale in biologia, chimica e tutta la scienza dei materiali, " disse Nathan Gianneschi, un professore di chimica e biochimica che ha guidato il team che ha dettagliato lo sviluppo in un articolo nel numero di questa settimana della rivista Microscopia e Microanalisi . "Con questo nuovo strumento, saremo in grado di guardare la cinetica e la dinamica delle interazioni chimiche che non siamo mai stati in grado di vedere prima".

Gli scienziati si affidano a lungo alla microscopia elettronica a trasmissione, o TEM, per vedere strutture su scala nanometrica. Ma quella tecnica può prendere solo immagini statiche e i soggetti devono essere asciugati, o congelato e montato all'interno di una camera a vuoto per essere visto. Di conseguenza, i ricercatori non sono stati in grado di visualizzare i processi viventi o le reazioni chimiche su scala nanometrica, come la crescita e la contrazione all'interno delle cellule viventi di minuscole fibre o protrusioni su nanoscala, essenziale nel movimento e nella divisione cellulare, o i cambiamenti causati da una reazione chimica in un liquido.

"Come chimici, abbiamo potuto analizzare realmente solo i prodotti finali o le modifiche alla soluzione di massa, o immagine a bassa risoluzione perché non potremmo mai vedere eventi che si verificano direttamente su scala nanometrica, ", ha detto Gianneschi.

Recenti sviluppi in Liquid Cell TEM, o LCTEM, hanno permesso agli scienziati di realizzare finalmente video di oggetti su scala nanometrica nei liquidi. Ma quella tecnica è stata limitata dall'incapacità di controllare la miscelazione delle soluzioni, un requisito quando si cerca di visualizzare e analizzare l'impatto di un farmaco su una cellula vivente o la reazione di due sostanze chimiche.

Giuseppe Patterson, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio Gianneschi, lavorando con i ricercatori della SCIENION AG in Germania e del Pacific Northwest National Laboratory, ha compiuto un grande passo avanti per risolvere questo problema sviluppando una tecnica e uno strumento che consente agli scienziati di depositare piccole quantità di liquido, circa 50 trilionesimi di litro, all'interno dell'area di visualizzazione del microscopio LCTEM.

"Con questa tecnica, possiamo visualizzare più componenti mescolati insieme su scala nanometrica all'interno di liquidi, così, Per esempio, si potrebbero guardare i materiali biologici e forse vedere come rispondono a un farmaco, — disse Gianneschi. — Non è mai stato possibile prima.

"I vantaggi per la ricerca di base sono enormi, " ha aggiunto. "Ora saremo in grado di vedere direttamente la crescita su scala nanometrica di tutti i tipi di cose, come fibre naturali o microtubuli. C'è molto interesse da parte dei ricercatori nel comprendere come le superfici delle nanoparticelle influenzino le reazioni chimiche o come si sviluppino i difetti su scala nanometrica sulle superfici dei materiali. Possiamo finalmente guardare alle interfacce sulle nanostrutture in modo da poter ottimizzare lo sviluppo di nuovi tipi di catalizzatori, vernici e sospensioni."

Sebbene gli scienziati non abbiano ancora utilizzato il loro strumento per visualizzare le reazioni chimiche in soluzione, hanno dimostrato che la tecnica funziona per fornire la miscelazione utilizzando combinazioni di nanoparticelle d'oro e altri cristalli su scala nanometrica sospesi in un liquido.

"Quello che abbiamo dimostrato è la prova del concetto, — disse Gianneschi. — Ma è quello che faremo dopo.

Sebbene questo nuovo strumento non consentirà agli scienziati di visualizzare effettivamente le molecole in soluzione, Gianneschi ha affermato che dovrebbero essere in grado di vedere l'impatto delle reazioni chimiche che si verificano su materiali più grandi di cinque nanometri, o cinque miliardesimi di metro.

"Non osserveremo le molecole che si scontrano, ma potremo osservare singole particelle e raccolte di esse, sulla scala delle lunghezze nanometriche, " ha aggiunto. "L'osservazione di questo tipo di processi è stata una delle sfide chiave nel campo delle nanoscienze".