Northwestern forskare har utvecklat en ny mikroskopimetod som gör att forskare kan se byggstenarna i "smarta" material som bildas i nanoskala.

Den kemiska processen kommer att förändra framtiden för rent vatten och mediciner och för första gången kommer människor att kunna se processen i praktiken.

"Vår metod tillåter oss att visualisera denna klass av polymerisation i realtid, på nanoskala, som aldrig har gjorts förut, " sa Northwesterns Nathan Gianneschi. "Vi har nu förmågan att se reaktionen äger rum, se dessa nanostrukturer bildas, och lär dig hur man drar fördel av de otroliga saker de kan göra."

Forskningen publicerades idag (22 december) i tidskriften Materia .

Tidningen är resultatet av ett samarbete mellan Gianneschi, biträdande direktören för International Institute for Nanotechnology och Jacob och Rosalind Cohns professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences, och Brent Sumerlin, George och Josephine Butler professor i polymerkemi vid College of Liberal Arts &Sciences vid University of Florida.

Dispersionspolymerisation är en vanlig vetenskaplig process som används för att tillverka läkemedel, kosmetika, latex och andra föremål, ofta i industriell skala. Och på nanoskala, polymerisation kan användas för att skapa nanopartiklar med unika och värdefulla egenskaper.

Dessa nanomaterial lovar mycket för miljön, där de kan användas för att suga upp oljeutsläpp eller andra föroreningar utan att skada det marina livet. Inom medicin, som grunden för "smarta" läkemedelstillförselsystem, den kan utformas för att komma in i mänskliga celler och frigöra terapeutiska molekyler under specificerade förhållanden.

Det har varit svårt att skala upp produktionen av dessa material. Initialt, produktionen hämmades av den tidskrävande process som krävdes för att skapa och sedan aktivera dem. En teknik som kallas polymerisationsinducerad självmontering (PISA) kombinerar steg och sparar tid, men molekylernas beteende under denna process har visat sig vara svårt att förutsäga av en enkel anledning:Forskare kunde inte observera vad som faktiskt hände.

Reaktioner på nanoskala är alldeles för små för att kunna ses med blotta ögat. Traditionella avbildningsmetoder kan bara fånga slutresultatet av polymerisation, inte den process genom vilken det sker. Forskare har försökt komma runt detta genom att ta prover vid olika punkter i processen och analysera dem, men att endast använda ögonblicksbilder kunde inte berätta hela historien om kemiska och fysiska förändringar som inträffade under hela processen.

"Det är som att jämföra några bilder från en fotbollsmatch med informationen i en video av hela matchen, " sa Gianneschi. "Om du förstår vägen genom vilken en kemikalie bildas, om du kan se hur det gick till, då kan du lära dig hur du snabbar upp det, och du kan ta reda på hur du stör processen så att du får en annan effekt."

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) kan ta bilder med en subnanometerupplösning, men det används vanligtvis för frysta prover, och hanterar inte kemiska reaktioner lika bra. Med TEM, en elektronstråle avfyras genom ett vakuum, mot ämnet; genom att studera elektronerna som kommer ut på andra sidan, en bild kan framkallas. Dock, bildens kvalitet beror på hur många elektroner som avfyras av strålen – och om man avfyrar för många elektroner påverkar resultatet av den kemiska reaktionen. Med andra ord, det är ett fall av observatörseffekten – att titta på självmonteringen kan förändra eller till och med skada självmonteringen. Vad du slutar med är annorlunda än vad du skulle ha haft om du inte tittade.

För att lösa problemet, forskarna satte in polymermaterialen i nanoskala i en sluten vätskecell som skulle skydda materialen från vakuumet inuti elektronmikroskopet. Dessa material har utformats för att vara känsliga för förändringar i temperatur, så att självmonteringen skulle börja när insidan av vätskecellen nådde en inställd temperatur.

Vätskecellen var innesluten i ett kiselchip med små, men kraftfull, elektroder som fungerar som värmeelement. Inbäddat i chipet är ett litet fönster - 200 x 50 nanometer stort - som skulle tillåta en lågenergistråle att passera genom vätskecellen.

Med chippet insatt i hållaren till elektronmikroskopet, temperaturen inuti vätskecellen höjs till 60˚C, initierar självmonteringen. Genom det lilla fönstret, blocksampolymerernas beteende och bildningsprocessen kunde registreras.

När processen var klar, Gianneschis team testade de resulterande nanomaterialen och fann att de var samma som jämförbara nanomaterial producerade utanför en flytande cell. Detta bekräftade att tekniken - som de kallar vätskecellstransmissionselektronmikroskopi med variabel temperatur (VC-LCTEM) - kan användas för att förstå polymerisationsprocessen i nanoskala som den sker under vanliga förhållanden.

Av särskilt intresse är de former som genereras under polymerisation. I olika stadier kan nanopartiklarna likna sfärer, maskar eller maneter - som var och en ger olika egenskaper åt nanomaterialet. Genom att förstå vad som händer under självmontering kan forskare börja utveckla metoder för att framkalla specifika former och justera deras effekter.

"Dessa intrikata och väldefinierade nanopartiklar utvecklas över tiden, bildas och sedan förvandlas när de växer, ", sa Sumerlin. "Det som är otroligt är att vi kan se både hur och när dessa övergångar sker i realtid."

Gianneschi tror att insikter från denna teknik kommer att leda till oöverträffade möjligheter för utveckling och karaktärisering av självorganiserande mjuka material - och vetenskapliga discipliner bortom kemi.

"Vi tror att detta kan bli ett verktyg som är användbart inom strukturbiologi och materialvetenskap också, ", sa Gianneschi. "Genom att integrera detta med maskininlärningsalgoritmer för att analysera bilderna, och fortsätter att förfina och förbättra upplösningen, vi kommer att ha en teknik som kan främja vår förståelse av polymerisation på nanoskala och vägleda utformningen av nanomaterial som potentiellt kan förändra medicin och miljö."