Immagini LCTEM elaborate che mostrano trasformazioni da verme a micella, indotte dal flusso di solventi. Credito:Northwestern University
Con strumenti altamente specializzati, possiamo vedere i materiali su scala nanometrica, ma non possiamo vedere cosa fanno molti di loro. Ciò limita la capacità dei ricercatori di sviluppare nuove terapie e nuove tecnologie che sfruttano le loro proprietà insolite.
Ora, un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori della Northwestern University utilizza le simulazioni Monte Carlo per estendere le capacità della microscopia elettronica a trasmissione e rispondere a domande fondamentali nella scienza dei polimeri.
"Questa è stata un'esigenza insoddisfatta nella chimica e nella scienza dei materiali", ha affermato Nathan C. Gianneschi della Northwestern, che ha guidato la ricerca. "Ora possiamo esaminare i nanomateriali nei solventi organici e osservare questi sistemi dinamici autoassemblarsi, trasformarsi e rispondere agli stimoli. I nostri risultati forniranno una guida preziosa per i ricercatori in microscopia".
La ricerca è stata pubblicata online oggi (17 febbraio) sulla rivista Cell Reports Physical Science .
Gianneschi è il professore di chimica Jacob e Rosaline Cohn al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e direttore associato dell'International Institute for Nanotechnology. Joanna Korpanty, una studentessa laureata nel laboratorio di Gianneschi, è la prima autrice dell'articolo.
Limiti all'imaging
La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) consente ai ricercatori di vedere i materiali su scala nanometrica, che è inferiore alla lunghezza d'onda della luce visibile. Il microscopio spara un raggio di elettroni su un campione, che è tenuto nel vuoto; studiando come gli elettroni si disperdono dal campione, è possibile sviluppare un'immagine.
Joanna Korpanty e Nathan Gianneschi con un microscopio elettronico. Credito:Northwestern University
Questa tecnica di imaging di base ha dei limiti, però. L'essiccazione di un campione per l'uso nel vuoto di TEM ne distorce l'aspetto e non può essere utilizzato per campioni che esistono in una soluzione liquida o solvente organico. Cryogenic-TEM consente ai ricercatori di esaminare campioni che sono stati congelati in una soluzione, ma non consente ai ricercatori di osservare i campioni rispondere a calore, sostanze chimiche e altri stimoli.
Questo è un grosso problema per lo studio dei nanomateriali morbidi sensibili alle radiazioni, che sono estremamente promettenti per applicazioni come sistemi di somministrazione di farmaci "intelligenti", catalisi e film ultrasottili. Per sfruttare il loro potenziale, gli scienziati devono vedere come si comportano questi nanomateriali in condizioni diverse, ma TEM e crio-TEM convenzionali possono mostrare solo gli effetti collaterali secchi o congelati.
Liquid-cell TEM (LCTEM) è un tentativo di risolverlo. Northwestern è stato il luogo di numerosi progressi in questo campo della microscopia in rapido sviluppo, che inserisce materiali solvati su scala nanometrica in una cella liquida chiusa che li protegge dal vuoto del microscopio. La cella liquida è racchiusa in un chip di silicio con elettrodi piccoli ma potenti che possono fungere da elementi riscaldanti per indurre reazioni termiche e il chip ha una minuscola finestra, di dimensioni 200 x 50 nanometri, che consente a un fascio di elettroni di passare attraverso il liquido cella e crea l'immagine.
Tuttavia, essere colpiti da un raggio di elettroni lascerà un segno. In questo caso, l'utilizzo di più elettroni porterebbe a un'immagine più chiara, poiché ce ne sarebbero più da disperdere, ma porterebbe anche a un campione danneggiato, specialmente nel caso di nanomateriali morbidi sensibili alle radiazioni. Sospendere il campione in un solvente organico potrebbe proteggerlo dai danni, ma si sa poco su come i fasci di elettroni interagiscono con diversi solventi.
È qui che entra in gioco Monte Carlo.
"Non ci sono altre immagini che ci diano questo livello di comprensione"
Le simulazioni Monte Carlo vengono utilizzate per prevedere i risultati di eventi altamente incerti. Prende il nome dal casinò del Mediterraneo e dalla destinazione delle corse di Formula 1, la tecnica è stata effettivamente inventata negli anni '40 al Los Alamos National Laboratory, dove gli scienziati che lavoravano sulle armi nucleari avevano scorte limitate di uranio e una soglia estremamente bassa per tentativi ed errori.
Da allora, le simulazioni Monte Carlo sono diventate un punto fermo della valutazione del rischio finanziario, della gestione della catena di approvvigionamento e persino delle operazioni di ricerca e salvataggio. In genere, le simulazioni Monte Carlo utilizzano migliaia o addirittura decine di migliaia di campioni casuali per tenere conto di variabili sconosciute e modellare la probabilità di un intervallo di risultati.
Il team di Gianneschi ha utilizzato un software per modellare un microscopio elettronico a trasmissione a celle liquide, quindi ha adattato la simulazione Monte Carlo per concentrarsi sulle traiettorie degli elettroni attraverso tre solventi - metanolo, acqua e dimetilformammide (DMF) - e valutare le interazioni tra elettroni e solventi. Le simulazioni hanno suggerito che l'acqua sarebbe il più radioliticamente sensibile dei tre solventi, il che significa che reagirà agli elettroni e cambierà o addirittura danneggerà il campione, mentre il metanolo sarebbe il più stabile, in grado di disperdere il minor numero di elettroni e generare un immagine.
Questi risultati modellati sono stati quindi verificati utilizzando LCTEM reale, dove i ricercatori hanno potuto osservare i nanomateriali morbidi mentre si trasformavano in vermi, micelle e altre forme dettate dalle condizioni dei solventi e prendere note dettagliate sul loro comportamento e sulle loro proprietà.
Ma più importante dell'apprendimento di questi tre solventi è la creazione di un metodo per testare l'idoneità di qualsiasi solvente.
"Possiamo utilizzare questo metodo Monte Carlo adattato per modellare la radiolisi di qualsiasi solvente organico", ha affermato Korpanty. "Quindi potresti capire l'effetto solvente per qualsiasi esperimento che volevi fare. È un enorme aumento della portata di ciò che puoi studiare con questa forma di microscopia".
"I nostri risultati mostrano che LCTEM è un modo fantastico per studiare nanomateriali morbidi e solvati", ha affermato Gianneschi. "Non esiste un altro metodo di imaging che ci dia questo livello di comprensione di ciò che sta accadendo, di come questi nanomateriali si comportano in modo diverso dalle loro controparti sfuse e di cosa possiamo fare per impedirgli di accedere a nuove proprietà dei materiali non ancora scoperte".
Lo studio, "Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics", è pubblicato in Cell Reports Physical Science . + Esplora ulteriormente
