Ett team av forskare från UC San Diego, Florida State University och Pacific Northwest National Laboratories har för första gången visualiserat tillväxten av "nanoskala" kemiska komplex i realtid, som visar att processer i vätskor i en skala av en miljarddels meter kan dokumenteras när de sker.
Prestationen, som kommer att möjliggöra många framtida framsteg inom nanoteknik, är detaljerad i en tidning publicerad online idag i Journal of the American Chemical Society . Kemister och materialvetare kommer att kunna använda denna nya utveckling i sin grundläggande och tillämpade forskning, till exempel, för att bättre förstå den stegvisa bildningen av nanostrukturer.
Tidigare, forskare kunde undersöka förändringar i nanostrukturer endast genom att titta på storskaliga förändringar av en bulkpopulation av partiklar eller genom att ta "skärmdumpar" på ett statiskt sätt av individuella nanostrukturer med elektronmikroskopi.
"Denna processen är som att ta bilder var tionde minut av en fotbollsmatch och sedan försöka sätta ihop dessa bilder för att berätta historien om vad som verkligen är en mycket dynamisk process, sa Nathan Gianneschi, en docent i kemi och biokemi vid UC San Diego som ledde forskningssatsningen med Seth Cohen, ordförande för UC San Diegos institution för kemi och biokemi.
'Tills nu, detta var toppmodern när det gäller hur vi kunde dokumentera hur nanostrukturer bildades. Utvecklingen vi beskriver i vår artikel visar att dessa processer kan observeras i realtid, genom att bokstavligen filma dessa processer på nanoskalanivå med hjälp av ett elektronmikroskop.'
Utvecklingen använde en nyligen utvecklad process som heter Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, har länge använts av forskare för att avbilda material i nanoskala och förstå struktur i nanoskala. Medan framsteg inom Liquid Cell TEM, eller LCTEM, hade tillåtit forskare att visualisera rörelsen hos föremål i nanoskala i vätskor, forskare hade ännu inte hittat ut ett sätt att använda det för att visualisera tillväxten av komplexa självmonterade, kemiska nanostrukturer.
"Vi visade för första gången att denna teknik kan användas för att observera tillväxten av komplexa organisk-oorganiska hybridmaterial, ger en aldrig tidigare skådad förståelse för deras bildande, sa Gianneschi. "Denna demonstration markerar ett viktigt steg framåt i att LCTEM blir avgörande för vår förståelse av processer i nanoskala för alla material i vätskor."
Teamet av forskare inkluderade Joseph Patterson och Michael Denny från UC San Diego, Patricia Abellan, Nigel Browning och James Evans från Pacific Northwest National Laboratory och Chiwoo Park i Florida State. Patterson, tidningens första författare, gjorde all vätskecellstransmissionsmikroskopi vid instrument vid UC San Diego och PNNL med hjälp av Evans, som är expert på tekniken, medan Park var ansvarig för videoanalysen.
För att göra saker enkelt, forskarna satte sig initialt för att studera ett kemiskt system som är känt för att monteras med ett begränsat antal komponenter och ge upphov till väldefinierade material.
"Vi ansåg metallorganiska ramverk vara den perfekta utgångspunkten för detta eftersom de ger ordnade strukturer genom en monteringsprocess och inkluderar organiska och oorganiska komponenter, sa Gianneschi. "Det första steget var att avgöra om dessa nanostrukturer skulle överleva experimentet. Detta är nödvändigt eftersom material är känsliga för att förstöras av den högenergielektronstråle som används för att avbilda dem. När dessa villkor väl fastställts, vi kunde sedan flöda in komponenter i TEM-instrumentet, i lösningsmedel, och se hur monteringsprocessen ägde rum. Detta gjordes möjligt med hjälp av en speciell provcellshållare för TEM som gjorde det möjligt för oss att placera vätskor i en kammare, inom högvakuuminstrumentet. Vi kunde sedan avbilda genom kammaren, för att se vad som finns inuti.'
Forskarnas demonstration att sådana kemiska komplex kan avbildas i realtid tyder på att de komplexa processerna för andra "känsliga självmonteringar" skulle kunna belysas mer i detalj, som biologiskt producerade kemikalier och virus, som är mer än tusen gånger mindre än bakterier.
"Detta framsteg ger ett verktyg för att observera material när de sätts ihop med upplösningar som endast är möjliga med elektronmikroskopi, sa Gianneschi. 'Det är, längdskalor kan observeras som är relevanta för material och processer i nanoskala. När det gäller bilddynamik som denna, vi tror att det kommer att påverka hur nanoteknik utvecklas i framtiden.
