En forskargrupp ledd av en forskare från det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har för första gången visat att de magnetiska fälten hos bakterieceller och magnetiska nanoobjekt i vätska kan studeras med hög upplösning med hjälp av elektronmikroskopi. Denna proof-of-princip-förmåga tillåter förstahandsobservation av vätskemiljöfenomen, och har potential att avsevärt öka kunskapen inom ett antal vetenskapliga områden, inklusive många områden inom fysiken, nanoteknik, omvandling av biobränslen, Biomedicinsk forskning, katalys, batterier och farmakologi.

"Det är ungefär som att kunna resa till en Jurassic Park och se dinosaurier som går runt, istället för att försöka gissa hur de gick genom att undersöka ett fossiliserat skelett, " sa Tanya Prozorov, en biträdande forskare vid Ames Laboratorys avdelning för materialvetenskap och teknik.

Prozorov arbetar med biologiska och bioinspirerade magnetiska nanomaterial, och stod inför vad som från början verkade vara en oöverstiglig utmaning att observera dem i deras ursprungliga flytande miljö. Hon studerar ett modellsystem, magnetotaktiska bakterier, som bildar perfekta nanokristaller av magnetit. För att på bästa sätt lära sig hur bakterier gör detta, hon behövde ett alternativ till den typiska elektronmikroskopiprocessen att hantera fasta prover i vakuum, där mjuk materia studeras i preparerade, torkad, eller förglasad form.

För detta arbete, Prozorov fick DOE-erkännande genom ett bidrag från Office of Science Early Career Research Program för att använda banbrytande elektronmikroskopitekniker med en flytande cellinsats för att lära sig hur de individuella magnetiska nanokristallerna bildas och växer med hjälp av biologiska molekyler, vilket är avgörande för att göra konstgjorda magnetiska nanomaterial med användbara egenskaper.

Att studera magnetism i bakterier, hon tillämpade off-axis elektronholografi, en specialiserad teknik som används för att karakterisera magnetiska nanostrukturer i transmissionselektronmikroskopet, i kombination med vätskecellen.

"När vi tittar på prover framställda på konventionellt sätt, vi måste göra många antaganden om deras egenskaper baserat på deras slutliga tillstånd, men med den nya tekniken, vi kan nu observera dessa processer från första hand, " sa Prozorov. "Det kan hjälpa oss att förstå dynamiken i makromolekylaggregation, nanopartikel självmontering, och effekterna av elektriska och magnetiska fält på den processen."

"Denna metod tillåter oss att få stora mängder ny information, " sade Prozorov. "Det är ett första steg, bevisar att kartläggning av magnetiska fält i vätska på nanometerskala med elektronmikroskopi kunde göras; Jag är angelägen om att se de upptäckter det kan främja inom andra vetenskapsområden."

Forskningen är detaljerad i tidningen, "Off-axis elektronholografi av bakterieceller och magnetiska nanopartiklar i vätska, " av T. Prozorov, T.P. Almeida, A. Kovács, och R.E. Dunin-Borkowski:och publicerad i Journal of the Royal Society Interface .