Quando i famosi fisici Max Knoll ed Ernst Ruska introdussero per la prima volta il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) nel 1933, ha permesso ai ricercatori di sbirciare all'interno delle cellule, microrganismi e particelle che una volta erano troppo piccole per essere studiate.

Per decenni, questi strumenti ad alta potenza si erano limitati a scattare istantanee statiche di campioni, che raccontano solo una parte della storia. Ora i ricercatori della Northwestern University e dell'Università della Florida stanno riempiendo gli spazi vuoti per rendere questa storia più completa.

Il team fa parte di uno sforzo per sviluppare un nuovo tipo di TEM che richiede dinamicità, video multi-frame di nanoparticelle mentre si formano, consentendo ai ricercatori di visualizzare come i campioni cambiano nello spazio e nel tempo. Sapere come si formano queste particelle potrebbe cambiare il modo in cui i ricercatori progettano i futuri sistemi di somministrazione dei farmaci, vernici, rivestimenti, lubrificanti e altri materiali per i quali il controllo sulle proprietà su scala nanometrica può portare a grandi effetti sui materiali su scala macroscopica.

"Abbiamo dimostrato che il TEM non deve essere un metodo di microscopia utilizzato esclusivamente per analizzare cosa è successo dopo il fatto, dopo che una reazione è terminata, " disse Nathan Gianneschi, professore di chimica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali presso la Northwestern, che ha co-diretto lo studio. "Ma, piuttosto, che può essere utilizzato per visualizzare le reazioni mentre si verificano."

"Prima, avevamo solo istantanee di come apparivano le cose in particolari momenti, " ha detto Brent Sumerlin, il George Bergen Butler Professore di Chimica all'Università della Florida, che ha co-condotto lo studio con Gianneschi. "Ora, stiamo cominciando a vedere l'evoluzione dei materiali in tempo reale, così possiamo vedere come avvengono le trasformazioni. È strabiliante".

La ricerca è stata pubblicata oggi, 25 aprile nel diario Scienze Centrali ACS . Mollie A. Touve, uno studente laureato nel laboratorio di Gianneschi, è il primo autore dell'articolo.

La nuova tecnologia di Gianneschi e Sumerlin ha tre componenti principali:autoassemblaggio indotto dalla polimerizzazione (PISA), un sistema robotico che assembla gli esperimenti e una telecamera collegata al microscopio che cattura le particelle mentre si formano e cambiano.

Un esperto di PISA, Sumerlin ha usato a lungo la tecnica, che realizza grandi quantità di materiali morbidi ben definiti, nel suo laboratorio. Usa specificamente PISA per formare micelle autoassemblanti, un tipo di nanomateriale sferico con molte applicazioni, dai saponi alla somministrazione mirata di farmaci.

Sebbene le micelle siano ben note per avere funzioni interessanti, ci sono lacune di conoscenza nel modo in cui si formano effettivamente. Gianneschi e Sumerlin si sono chiesti se potevano usare un microscopio elettronico per osservare le micelle, in azione, mentre si autoassemblano con PISA.

"Poiché questi materiali sono sulla scala della lunghezza del nanometro, ovviamente avevamo bisogno di un microscopio elettronico per osservarli, "disse Gianneschi, un membro dell'International Institute of Nanotechnology della Northwestern. "Così, essenzialmente, volevamo usare il microscopio elettronico come provetta."

Con alta precisione e riproducibilità, il sistema robotico del team ha assemblato tutte le sostanze chimiche necessarie per produrre le particelle. Quindi, il raggio di elettroni del microscopio ha innescato una reazione che ha causato la formazione delle micelle. Sebbene il sistema di telecamere di Gianneschi non abbia catturato l'intera trasformazione delle micelle, ha permesso ai ricercatori di vederne una parte.

"Sono piacevolmente sorpreso che abbiamo tirato fuori questa parte, " ha detto Gianneschi. "Ma l'ottimizzazione del sistema, in modo da poter vedere l'intera traiettoria della reazione, ci terrà impegnati per i prossimi anni".

Ancora, Gianneschi e Sumerlin sono lieti di aver introdotto un elemento importante nella microscopia elettronica:il tempo. Gianneschi paragona la loro realizzazione al processo di cottura.

"Immagina di cucinare la cena senza poterla guardare, " disse. "Puoi seguire la ricetta, ma non sai davvero come sta andando. Non puoi guardare la carne rosolare sul fuoco o l'impasto lievitare. Devi essere in grado di osservarlo direttamente. Lo diamo per scontato nella vita normale".

"Con l'analisi chimica tradizionale, a volte l'output è una linea bidimensionale con alcuni picchi e valli, e lo usiamo per avere un'idea di cosa sta succedendo, " Ha aggiunto Sumerlin. "Ma ora stiamo effettivamente realizzando nanostrutture e osservandole formarsi. Questo è un grande cambiamento".