Kemister vid UC San Diego har utvecklat ett nytt verktyg som gör det möjligt för forskare för första gången att se, i skala av fem miljarddelar av en meter, "nanoskala" blandningsprocesser som förekommer i vätskor.

"Att kunna titta på kemiska gradienter och reaktioner i nanoskala när de äger rum är bara ett sådant grundläggande verktyg inom biologi, kemi och all materialvetenskap, sa Nathan Gianneschi, en professor i kemi och biokemi som ledde teamet som beskrev utvecklingen i ett papper i veckans nummer av tidskriften Mikroskopi och mikroanalys . "Med detta nya verktyg, vi kommer att kunna titta på kinetiken och dynamiken för kemiska interaktioner som vi aldrig har kunnat se tidigare."

Forskare har länge förlitat sig på transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, att se strukturer på nanoskala. Men den tekniken kan bara ta statiska bilder och motiven måste torkas, eller fryst och monterad i en vakuumkammare för att synas. Som ett resultat, forskare har inte kunnat se levande processer eller kemiska reaktioner på nanoskala, såsom tillväxt och sammandragning i levande celler av små fibrer eller utsprång i nanoskala, avgörande för cellrörelser och -delning, eller förändringar som orsakas av en kemisk reaktion i en vätska.

"Som kemister, vi kunde bara verkligen analysera slutprodukterna eller förändringar av bulklösningar, eller bild med låg upplösning eftersom vi aldrig kunde se händelser inträffa direkt på nanoskala, sa Gianneschi.

Den senaste utvecklingen inom Liquid Cell TEM, eller LCTEM, har tillåtit forskare att äntligen ta videor av föremål i nanoskala i vätskor. Men den tekniken har begränsats av oförmågan att kontrollera blandningen av lösningar, ett krav när man försöker se och analysera effekten av ett läkemedel på en levande cell eller reaktionen av två kemikalier.

Joseph Patterson, en postdoktor vid Gianneschi-laboratoriet, arbetar med forskare vid SCIENION AG i Tyskland och Pacific Northwest National Laboratory, har tagit ett stort steg för att lösa det problemet genom att utveckla en teknik såväl som ett verktyg som gör det möjligt för forskare att deponera små mängder vätska – cirka 50 biljondelar av en liter – inom siktområdet för LCTEM-mikroskopet.

"Med denna teknik, vi kan se flera komponenter blandade tillsammans på nanoskala i vätskor, så, till exempel, man skulle kunna titta på biologiska material och kanske se hur de reagerar på en drog, sade Gianneschi. Det var aldrig möjligt förut.

"Fördelarna med grundforskning är enorma, " tillade han. "Vi kommer nu att direkt kunna se tillväxten på nanoskala av alla möjliga saker, som naturliga fibrer eller mikrotubuli. Det finns ett stort intresse från forskarnas sida för att förstå hur nanopartiklars ytor påverkar kemiska reaktioner eller hur nanoskaliga defekter på materialytor utvecklas. Vi kan äntligen titta på gränssnitten på nanostrukturer så att vi kan optimera utvecklingen av nya typer av katalysatorer, färger och upphängningar."

Medan forskarna ännu inte har använt sitt verktyg för att se kemiska reaktioner i lösning, de har visat att tekniken fungerar för att ge blandning med kombinationer av guld-nanopartiklar och andra nanoskala kristaller suspenderade i en vätska.

"Vad vi har visat är proof of concept, sade Gianneschi. Men det är vad vi ska göra härnäst.

Även om detta nya verktyg inte tillåter forskare att faktiskt se molekyler i lösning, Gianneschi sa att de borde kunna se effekterna av kemiska reaktioner som sker på material som är större än fem nanometer, eller fem miljarddels meter.

"Vi kommer inte att observera molekyler som kolliderar, men vi kommer att kunna observera enskilda partiklar och samlingar av dem, på nanometerlängdskalan, ", tillade han. "Att observera den här typen av processer har varit en av de viktigaste utmaningarna inom nanovetenskap."