L'impressione di un artista di come i ricercatori hanno utilizzato la tomografia a raggi X come lente d'ingrandimento per vedere nella struttura interna dei nanomateriali. Credito:Brookhaven National Laboratory
Dalla progettazione di nuovi biomateriali a nuovi dispositivi fotonici, i nuovi materiali costruiti attraverso un processo chiamato nanofabbricazione dal basso verso l'alto, o autoassemblaggio, stanno aprendo percorsi a nuove tecnologie con proprietà ottimizzate su scala nanometrica. Tuttavia, per sbloccare completamente il potenziale di questi nuovi materiali, i ricercatori devono "vedere" nelle loro minuscole creazioni in modo da poter controllare la progettazione e la fabbricazione per consentire le proprietà desiderate del materiale.
Questa è stata una sfida complessa che i ricercatori del Brookhaven National Laboratory e della Columbia University del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno superato per la prima volta, immaginando l'interno di un nuovo materiale autoassemblato da nanoparticelle con una risoluzione di sette nanometri, circa 1/ 100.000 della larghezza di un capello umano. In un nuovo articolo pubblicato il 7 aprile 2022 su Scienza , i ricercatori mostrano la potenza della loro nuova tecnica di imaging a raggi X ad alta risoluzione per rivelare la struttura interna del nanomateriale.
Il team ha progettato il nuovo nanomateriale utilizzando il DNA come materiale da costruzione programmabile, che consente loro di creare nuovi materiali ingegnerizzati per catalisi, ottica e ambienti estremi. Durante il processo di creazione di questi materiali, i diversi elementi costitutivi costituiti da DNA e nanoparticelle si spostano al loro posto in base a un "progetto" definito, chiamato modello, progettato dai ricercatori. Tuttavia, per visualizzare e sfruttare queste minuscole strutture con i raggi X, avevano bisogno di convertirle in materiali inorganici in grado di resistere ai raggi X fornendo al contempo funzionalità utili. Per la prima volta, i ricercatori hanno potuto vedere i dettagli, comprese le imperfezioni all'interno dei loro nanomateriali appena organizzati.
"Sebbene il nostro assemblaggio di nanomateriali basato sul DNA offra un eccezionale livello di controllo per mettere a punto le proprietà che desideriamo, non formano strutture perfette che corrispondono completamente al progetto. Pertanto, senza l'imaging 3D dettagliato con risoluzione di una singola particella, è impossibile capire come progettare sistemi autoassemblanti efficaci, come mettere a punto il processo di assemblaggio e in che misura le prestazioni di un materiale siano influenzate dalle imperfezioni", ha affermato l'autore corrispondente Oleg Gang, scienziato del Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven. e professore di ingegneria chimica e di fisica applicata e scienza dei materiali alla Columbia Engineering.
In qualità di struttura utente del DOE Office of Science, il CFN offre un'ampia gamma di strumenti per la creazione e lo studio di nuovi nanomateriali. È stato nei laboratori del CFN e della Columbia Engineering che Gang e il suo team hanno costruito e studiato per la prima volta nuove nanostrutture. Utilizzando sia l'assemblaggio basato sul DNA come nuovo strumento di fabbricazione su scala nanometrica, sia la modellazione precisa con materiali inorganici che possono rivestire DNA e nanoparticelle, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare un nuovo tipo di complessa architettura 3D.
"Quando sono entrato a far parte del gruppo di ricerca cinque anni fa, avevamo studiato molto bene la superficie dei nostri assemblaggi, ma la superficie è solo superficiale. Se non puoi andare oltre, non vedrai mai che c'è un sistema sanguigno o ossa Dal momento che l'assemblaggio all'interno dei nostri materiali guida le loro prestazioni, volevamo approfondire per capire come funzionasse", ha affermato Aaron Noam Michelson, primo autore dello studio che era un dottorato di ricerca. studente con Gang e ora è un postdoc al CFN.
E più in profondità il team è andato, collaborando con i ricercatori della linea di luce Hard X-ray Nanoprobe (HXN) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura utente del DOE Office of Science situata presso il Brookhaven Lab. NSLS-II consente ai ricercatori di studiare materiali con una risoluzione su scala nanometrica e una sensibilità squisita fornendo una luce ultraluminosa che va dall'infrarosso ai raggi X duri.?
"In NSLS-II, abbiamo molti strumenti che possono essere utilizzati per saperne di più su un materiale a seconda di ciò che ti interessa. Ciò che ha reso HXN interessante per Oleg e il suo lavoro è stato che puoi vedere le effettive relazioni spaziali tra gli oggetti all'interno del struttura su scala nanometrica. Ma, all'epoca in cui abbiamo parlato per la prima volta di questa ricerca, "vedere dentro" queste minuscole strutture era già al limite di ciò che la linea di raggio poteva fare", ha affermato Hanfei Yan, anche un corrispondente autore dello studio e uno scienziato della linea di luce presso HXN.
Per superare questa sfida, i ricercatori hanno discusso i vari ostacoli che dovevano superare. Al CFN e alla Columbia, il team ha dovuto capire come costruire le strutture con l'organizzazione desiderata e come convertirle in una replica inorganica in grado di resistere a potenti fasci di raggi X, mentre all'NSLS-II i ricercatori hanno dovuto mettere a punto il beamline migliorando la risoluzione, l'acquisizione dei dati e molti altri dettagli tecnici.
"Penso che il modo migliore per descrivere i nostri progressi sia in termini di prestazioni. Quando abbiamo provato a prendere i dati per la prima volta in HXN, ci sono voluti tre giorni e abbiamo ottenuto parte di un set di dati. La seconda volta che l'abbiamo fatto, ci è voluto due giorni e abbiamo ottenuto la maggior parte di un intero set di dati, ma il nostro campione è stato distrutto durante il processo. Alla terza volta ci sono volute poco più di 24 ore e abbiamo ottenuto un set di dati completo. Ciascuno di questi passaggi è durato circa sei mesi a parte", ha detto Michelson.
Yan ha aggiunto:"Ora possiamo finirlo in un solo giorno. La tecnica è abbastanza matura da poterla offrire anche ad altri utenti che vorrebbero utilizzare la nostra linea di luce per studiare il loro campione. Vedere i campioni su questa scala è interessante per campi come come microelettronica e ricerca sulle batterie".
Il team ha sfruttato le capacità della linea di luce in due modi. Non solo hanno misurato il contrasto di fase dei raggi X che passano attraverso i campioni, ma hanno anche raccolto la fluorescenza dei raggi X, la luce emessa, dal campione. Misurando il contrasto di fase, i ricercatori potrebbero distinguere meglio il primo piano dallo sfondo del loro campione.
"Misurare i dati era solo metà della battaglia; ora dovevamo tradurre i dati in informazioni significative sull'ordine e l'imperfezione dei sistemi autoassemblati. Volevamo capire che tipo di difetti possono verificarsi in questi sistemi e qual è la loro origine. Fino a quando a questo punto, queste informazioni erano disponibili solo attraverso il calcolo. Ora possiamo davvero vederlo sperimentalmente, il che è super eccitante e, letteralmente, apre gli occhi per lo sviluppo futuro di nanomateriali dal design complesso", ha affermato Gang.
Insieme, i ricercatori hanno sviluppato nuovi strumenti software per aiutare a districare la grande quantità di dati in blocchi che potrebbero essere elaborati e compresi. Una delle sfide principali è stata la possibilità di convalidare la risoluzione raggiunta. Il processo iterativo che alla fine ha portato alla nuova rivoluzionaria risoluzione si è protratto per diversi mesi prima che il team verificasse la risoluzione attraverso l'analisi standard e gli approcci di apprendimento automatico.
"Ci ho messo tutto il mio dottorato di ricerca per arrivare qui, ma personalmente mi sento molto gratificato per aver fatto parte di questa collaborazione. Sono stato in grado di essere coinvolto in ogni fase del processo, dalla realizzazione dei campioni all'esecuzione della linea di luce. Tutte le nuove abilità Ho imparato che questo viaggio sarà utile per tutto ciò che ci aspetta", ha affermato Michelson.
Anche se la squadra ha raggiunto questo traguardo impressionante, è tutt'altro che finita. Hanno già messo gli occhi sui prossimi passi per spingere ulteriormente i confini del possibile.
"Ora che abbiamo completato il processo di analisi dei dati, prevediamo di rendere questa parte più facile e veloce per i progetti futuri, soprattutto quando ulteriori miglioramenti della linea di luce ci consentiranno di raccogliere dati ancora più velocemente. L'analisi è attualmente il collo di bottiglia quando si esegue la tomografia ad alta risoluzione lavorare in HXN", ha detto Yan.
Gang ha aggiunto:"Oltre a continuare a spingere le prestazioni della linea di luce, prevediamo anche di utilizzare questa nuova tecnica per approfondire le relazioni tra difetti e proprietà dei nostri materiali. Abbiamo in programma di progettare nanomateriali più complessi utilizzando l'autoassemblaggio del DNA che può essere studiato utilizzando HXN. In questo modo possiamo vedere quanto bene è costruita la struttura internamente e collegarla al processo di assemblaggio. Stiamo sviluppando una nuova piattaforma di fabbricazione dal basso verso l'alto che non saremmo in grado di immaginare senza questo nuovo capacità."
Comprendendo questa connessione tra le proprietà del materiale e il processo di assemblaggio, i ricercatori sperano di aprire la strada alla messa a punto di questi materiali per applicazioni future in nanomateriali progettati per batterie e catalisi, per la manipolazione della luce e per le risposte meccaniche desiderate. + Esplora ulteriormente
