Att fånga molekylers rörelse är inte en lätt uppgift. Forskare vid Centrum för mjuk och levande materia, inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) kunde observera rörelsen av molekyler lagrade i en grafenficka utan att behöva färga dem. Publicerad i Avancerade material , denna studie banar väg för att observera dynamiken i livets byggstenar, som proteiner och DNA, samt självmontering av andra material.

En tredjedel av diametern på ett människohår är ungefär den minsta storlek som mänskliga ögon kan se utan hjälp. För att särskilja mindre föremål, vi behöver mikroskop. Vi kan uppskatta celler och bakterier med optiska mikroskop, medan virus och molekyler endast är synliga under ett elektronmikroskop. I det senare, bilder bildas av elektroner som skjuts på ett prov. Eftersom elektroner har en mycket kortare våglängd jämfört med ljus, elektronmikroskopi ger en mycket högre förstoring än optisk mikroskopi. Dock, elektronstrålen förstör provet och om vatten är närvarande, det tenderar att sönderfalla till bubblor. Därför, elektronmikroskopi är lämplig för att visualisera inert, döda prover, medan levande material är kemiskt låst på plats.

IBS-forskare bröt mot denna regel och visualiserade icke-fixerade kedjor av atomer, kallas polymerer, simma i en vätska inuti grafenfickor. Dessa består av 3-5 grafenlager på botten och två på toppen. Arken är ogenomträngliga för små molekyler, och även förhindra elektronstrålen från att omedelbart skada provet:forskarna hade i genomsnitt 100 sekunder på sig att beundra den dynamiska rörelsen hos individuella polymermolekyler, innan dessa förstördes av elektronstrålen. Under dessa värdefulla sekunder, molekyler ändrar position, ordna om eller "hoppa runt". "Det var fantastiskt att se dessa flexibla organiska makromolekyler dansa runt, " säger Hima Nagamanasa, tidningens första medförfattare. "Molekyler rör sig mycket snabbare i bulk. Vi blev förvånade över att se att de rör sig långsammare här. Vi tror att fästet vid fickans yta fungerade till vår fördel för att sakta ner dem, utan det skulle vi förmodligen bara se en suddig bild."

Tidigare, forskare behövde färga prover med metall- eller färgämnesmolekyler för att göra dem synliga inuti grafenfickan. Metall har hög reflexibilitet, vilket betyder att det kan lysa, så det kan användas för att få bra bilder. Dock, de kemiska bindningarna mellan provet och metallen eller färgämnet ändrar egenskaperna hos provmolekylen. I den här studien, grafenfickan är tillräckligt tunn för att dess innehåll kan observeras i realtid utan färgning.

Särskilt, forskarna arbetade med två polymerer:en med svavel, polystyrensulfonat, och en utan, polyetylenoxid. Detta gjorde det möjligt för dem att visa att kontrasten under mikroskopet kommer från polymerstrukturen - gjord av kol- och väteatomer - snarare än från svavlet. "De flesta molekyler som produceras av levande organismer har en ryggrad gjord av kol och väte, och det är därför vi hoppas kunna utvidga denna forskning till studiet av interaktioner mellan DNA och proteiner, " förklarar den första medförfattaren Huan Wang. Dessutom, eftersom forskarna använde ett standardelektronmikroskop, de förväntar sig att denna teknik kommer att användas i andra laboratorier.