Från vattenflaskor och matbehållare till leksaker och slangar, många moderna material är gjorda av plast. Och medan vi producerar cirka 110 miljoner ton per år av syntetiska polymerer som polyeten och polypropen över hela världen för dessa plastprodukter, det finns fortfarande mysterier om polymerer på atomär skala.

På grund av svårigheten att ta bilder av dessa material i små skalor, bilder av enskilda atomer i polymerer har endast realiserats i datorsimuleringar och illustrationer, till exempel.

Nu, en forskargrupp ledd av Nitash Balsara, en senior forskare vid materialvetenskapsavdelningen vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UC Berkeley, har anpassat en kraftfull elektronbaserad avbildningsteknik för att få en bild av struktur i atomär skala i en syntetisk polymer. I teamet ingick forskare från Berkeley Lab och UC Berkeley.

Forskningen kan i slutändan informera polymertillverkningsmetoder och leda till nya konstruktioner för material och enheter som innehåller polymerer.

I deras studie, publicerad i American Chemical Society's Makromolekyler tidning, forskarna beskriver utvecklingen av en kryogen elektronmikroskopi avbildningsteknik, med hjälp av datoriserade simuleringar och sorteringstekniker, som identifierade 35 arrangemang av kristallstrukturer i ett peptoidpolymerprov. Peptoider är syntetiskt framställda molekyler som efterliknar biologiska molekyler, inklusive kedjor av aminosyror kända som peptider.

Provet syntetiserades robotiskt vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility för nanovetenskaplig forskning. Forskare bildade ark av kristalliserade polymerer som mätte cirka 5 nanometer (miljarddelar av en meter) i tjocklek när de spreds i vatten.

"Vi genomförde våra experiment på de mest perfekta polymermolekylerna vi kunde göra, " Balsara sa - peptoidproverna i studien var extremt rena jämfört med typiska syntetiska polymerer.

Forskargruppen skapade små flingor av peptoid nanosheets, frös dem för att bevara deras struktur, och avbildade dem sedan med en elektronstråle. En inneboende utmaning i bildmaterial med en mjuk struktur, såsom polymerer, är att strålen som används för att ta bilder också skadar proverna.

De direkta kryogena elektronmikroskopbilderna, erhålls med mycket få elektroner för att minimera strålskador, är för suddiga för att avslöja enskilda atomer. Forskare uppnådde en upplösning på cirka 2 ångström, vilket är två tiondelar av nanometer (miljarddels meter), eller ungefär dubbelt så stor diameter som en väteatom.

De uppnådde detta genom att ta över 500, 000 suddiga bilder, sortera olika motiv i olika "papperskorgar, " och ett genomsnitt av bilderna i varje behållare. Sorteringsmetoderna de använde var baserade på algoritmer som utvecklats av den strukturella biologin för att avbilda atomstrukturen hos proteiner.

"Vi drog fördel av tekniken som de proteinbildande människorna hade utvecklat och utökade den till mänskligt skapad, mjuka material, "Balsara sa. "Först när vi sorterade dem och snittade dem blev den suddigheten tydlig."

Innan dessa högupplösta bilder, Balsara sa, arrangemanget och variationen av de olika typerna av kristallstrukturer var okänd.

"Vi visste att det fanns många motiv, men de är alla olika varandra på sätt som vi inte kände till, " sa han. "Faktiskt, även det dominerande motivet i peptoidarket var en överraskning. "

Balsara krediterade Ken Downing, en senior forskare vid Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division som gick bort i augusti, och Xi Jiang, en projektforskare på Materials Sciences Division, för att fånga de högkvalitativa bilderna som var centrala i studien och för att utveckla de algoritmer som är nödvändiga för att uppnå atomupplösning i polymeravbildningen.

Deras expertis inom kryogen elektronmikroskopi kompletterades av Ron Zuckermanns förmåga att syntetisera modellpeptoider, David Prendergasts kunskap om molekylära dynamiksimuleringar som behövs för att tolka bilderna, Andrew Minors expertis på att avbilda metaller i atomär skala, och Balsaras erfarenhet inom polymervetenskap.

På Molecular Foundry, Zuckermann leder anläggningen för biologiska nanostrukturer, Prendergast leder teorianläggningen, and Minor leder National Center for Electron Microscopy och är också professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. En stor del av kryoelektronavbildningen utfördes vid UC Berkeleys Krios-mikroskopianläggning. En stor del av kryoelektronavbildningen utfördes vid UC Berkeleys Krios-mikroskopianläggning.

Balsara sa att hans egen forskning om att använda polymerer för batterier och andra elektrokemiska enheter skulle kunna dra nytta av forskningen, som att se positionen för polymeratomer kan i hög grad hjälpa till vid utformningen av material för dessa enheter.

Bilder i atomskala av polymerer som används i vardagen kan behöva mer sofistikerade, automatiserade filtreringsmekanismer som är beroende av maskininlärning, till exempel.

"Vi borde kunna bestämma strukturen i atomär skala för en mängd olika syntetiska polymerer som kommersiell polyeten och polypropen, utnyttja den snabba utvecklingen inom områden som artificiell intelligens, använder detta tillvägagångssätt, sa Balsara.

Att bestämma kristallstrukturer kan ge viktig information för andra applikationer, såsom utveckling av läkemedel, eftersom olika kristallmotiv kan ge helt olika bindningsegenskaper och terapeutiska effekter, till exempel.