Med högt specialiserade instrument kan vi se material på nanoskala – men vi kan inte se vad många av dem gör. Det begränsar forskarnas förmåga att utveckla nya terapier och ny teknik som drar fördel av deras ovanliga egenskaper.

Nu använder en ny metod utvecklad av forskare vid Northwestern University Monte Carlo-simuleringar för att utöka kapaciteten för transmissionselektronmikroskopi och svara på grundläggande frågor inom polymervetenskap.

"Detta har varit ett ouppfyllt behov inom kemi och materialvetenskap", säger Northwesterns Nathan C. Gianneschi, som ledde forskningen. "Vi kan nu titta på nanomaterial i organiska lösningsmedel och se dessa dynamiska system självmontera, transformera och reagera på stimuli. Våra resultat kommer att ge en värdefull vägledning för forskare inom mikroskopi."

Forskningen publicerades online idag (17 februari) i tidskriften Cell Reports Physical Science .

Gianneschi är Jacob och Rosaline Cohns professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och biträdande chef för International Institute for Nanotechnology. Joanna Korpanty, en doktorand i Gianneschis laboratorium, är tidningens första författare.

Begränsningar för bildbehandling

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) tillåter forskare att se material i nanoskala, som är mindre än våglängden för synligt ljus. Mikroskopet avfyrar en elektronstråle mot ett prov, som hålls i ett vakuum; genom att studera hur elektronerna sprider sig från provet kan en bild framkallas.

Denna grundläggande bildteknik har dock begränsningar. Att torka ut ett prov för användning i vakuum av TEM kommer att förvränga dess utseende och kan inte användas för prover som finns i en flytande lösning eller organiskt lösningsmedel. Cryogenic-TEM tillåter forskare att undersöka prover som har frysts i en lösning, men det tillåter inte forskare att se proverna reagera på värme, kemikalier och andra stimuli.

Det är ett stort problem för studien av strålningskänsliga mjuka nanomaterial, som är enormt lovande för applikationer som "smarta" läkemedelstillförselsystem, katalys och ultratunna filmer. För att kunna utnyttja sin potential måste forskare se hur dessa nanomaterial beter sig under olika förhållanden – men konventionella TEM och kryo-TEM kan bara visa de uttorkade eller frusna efterverkningarna.

Liquid-cell TEM (LCTEM) är ett försök att lösa det. Northwestern har varit platsen för flera framsteg inom detta snabbt växande område av mikroskopi, som infogar solvatiserade nanoskala material i en sluten flytande cell som skyddar dem från vakuumet i mikroskopet. Vätskecellen är innesluten i ett kiselchip med små men kraftfulla elektroder som kan fungera som värmeelement för att inducera termiska reaktioner, och chipet har ett litet fönster – 200 x 50 nanometer stort – som låter en elektronstråle passera genom vätskan cell och skapa bilden.

Men att bli träffad av en elektronstråle kommer att lämna ett märke. I det här fallet skulle användning av fler elektroner leda till en tydligare bild – eftersom det skulle finnas fler av dem att sprida – men det skulle också leda till ett skadat exemplar, särskilt när det gäller strålningskänsliga mjuka nanomaterial. Att suspendera provet i ett organiskt lösningsmedel kan skydda det från skador, men lite är känt om hur elektronstrålar interagerar med olika lösningsmedel.

Det är där Monte Carlo kommer in.

"Det finns ingen annan bildbehandling som ger oss denna nivå av förståelse"

Monte Carlo-simuleringar används för att förutsäga utfall av mycket osäkra händelser. Tekniken är uppkallad efter Medelhavskasinot och Formel 1-racingdestinationen och uppfanns faktiskt på 1940-talet vid Los Alamos National Laboratory, där forskare som arbetade med kärnvapen hade begränsade tillgångar av uran och en extremt låg tröskel för försök och misstag.

Sedan dess har Monte Carlo-simuleringar blivit en del av finansiell riskbedömning, hantering av försörjningskedjan och till och med sök- och räddningsoperationer. Monte Carlo-simuleringar använder vanligtvis tusentals eller till och med tiotusentals slumpmässiga urval för att ta hänsyn till okända variabler och modellera sannolikheten för en rad resultat.

Gianneschis team använde mjukvara för att modellera ett vätskecellstransmissionselektronmikroskop och anpassade sedan Monte Carlo-simuleringen för att fokusera på elektronernas banor genom tre lösningsmedel - metanol, vatten och dimetylformamid (DMF) - och bedöma interaktioner mellan elektroner och lösningsmedel. Simuleringarna antydde att vatten skulle vara det mest radiolytiskt känsliga av de tre lösningsmedlen – vilket betyder att det kommer att reagera på elektronerna och förändra eller till och med skada provet – medan metanol skulle vara den mest stabila, sannolikt att sprida minsta möjliga elektroner och generera en klarare bild.

Dessa modellerade fynd verifierades sedan med faktiska LCTEM, där forskarna kunde observera de mjuka nanomaterialen när de omvandlades till maskar, miceller och andra former som dikterades av lösningsmedelsförhållanden – och ta detaljerade anteckningar om deras beteende och egenskaper.

Men viktigare än att lära sig om dessa tre lösningsmedel är skapandet av en metod för att testa lämpligheten av vilket lösningsmedel som helst.

"Vi kan använda den här anpassade Monte Carlo-metoden för att modellera radiolysen av vilket organiskt lösningsmedel som helst," sa Korpanty. "Då kan du förstå lösningsmedelseffekten för vilket experiment du vill göra. Det är en enorm ökning av omfattningen av vad du kan studera med den här formen av mikroskopi."

"Våra resultat visar att LCTEM är ett fantastiskt sätt att studera mjuka, solvatiserade nanomaterial," sa Gianneschi. "Det finns ingen annan avbildningsmetod som ger oss den här nivån av förståelse för vad som händer, hur dessa nanomaterial beter sig annorlunda än sina bulkmotsvarigheter och vad vi kan göra för att störa dem för att få tillgång till nya, ännu oupptäckta materialegenskaper."

Studien, "Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics," publiceras i Cell Reports Physical Science . + Utforska vidare

Ny elektronmikroskopiteknik ger en första titt på tidigare dolda processer