新的电子显微镜技术首先立即查看先前隐藏的流程

研究人员现在可以填写有关纳米级聚合和“智能”材料的缺失信息，用于医学和环境。

西北研究人员已经开发出一种新的显微镜方法，使科学家能够看到在纳米级上形成的“智能”材料的构建块。

化学过程设定为改变清洁水和药物的未来，而且第一次人们将能够在行动中观看过程。

“我们的方法使我们能够实时地将这类聚合性视为从未完成的纳米级，”西北部的Nathan Gianneschi说。“我们现在有能力看到发生的反应，看看这些纳米结构正在形成，并学会如何利用他们能做的令人难以置信的事情。”

该研究于2020年12月22日公布，在期刊上。

本文是国际纳米技术研究所副主任的Gianneschi与Weinberg艺术和科学学院的雅各和Rosalind Cohn教授，George Sumerlin，George and Josephine Butler of Polymer佛罗里达大学文艺与科学学院化学。

“这就像将足球比赛的几张照片与整个游戏视频中包含的信息进行比较。” -
Nathan Gianneschi，第一作者

分散聚合是一种常见的科学过程，用于制作药品，化妆品，乳胶等物品，通常在工业规模上。并且在纳米级，可用于产生具有独特和有价值的纳米颗粒。

这些纳米材料对环境具有很大的承担，在那里他们可以用来吸收油溢出或其他污染物而不会损害海洋生物。在医学中，作为“智能”药物递送系统的基础，它可以设计用于在特定条件下进入人细胞并释放治疗分子。

在扩大这些材料的生产方面存在困难。最初，通过创建的耗时的过程阻碍了生产，然后激活它们。一种称为聚合诱导的自组装（PISA）的技术结合了步骤并节省了时间，但是在此过程中的分子行为已经证明难以预测一种简单的原因：科学家无法观察到实际发生的事情。

纳米尺度的反应太小而无法用肉眼观察。传统的成像方法只能捕获聚合的最终结果，而不是其发生的过程。科学家通过在过程中的各个点处采样并分析它们来追溯到这一点，但仅使用快照未能讲述整个过程中发生的化学和物理变化的完整故事。

“这就像比较足球比赛的几张照片到整个游戏视频中包含的信息，”Gianneschi说。“如果你了解化学形式的途径，如果你能看到它是如何发生的，那么你可以学习如何加速它，你可以P out如何扰乱这个过程让你得到不同的效果。”

透射电子显微镜（TEM）能够以子纳米分辨率以亚纳米分辨率拍摄图像，但它通常用于冷冻样品，并且也没有处理化学反应。利用TEM，将电子束通过真空射向受试者;通过研究另一侧出来的电子，可以开发图像。然而，图像的质量取决于光束烧制的电子 - 并烧制过多的电子将影响化学反应的结果。换句话说，它是观察者效果的情况 - 观察自组装可以改变甚至损坏自组装。如果你不看，你最终与你所拥有的东西不同。

为了解决问题，研究人员将纳米级聚合物材料插入封闭的液体细胞中，该封闭的液体细胞将保护材料免受电子显微镜内的真空。这些材料设计成响应于温度的变化，因此当液体内部达到设定温度时，自组装将开始。

液体电池封闭在具有小而强大的电极的硅芯片中，电极用作加热元件。嵌入在芯片中是一个微小的窗口 - 200×50纳米的尺寸 - 这将允许低能量光束通过液体电池。

将芯片插入电子显微镜的支架中，液体内部的温度升至60˚C，启动自组装。通过微小的窗口，可以记录嵌段共聚物的行为和形成过程。

当该过程完成时，Gianneschi的团队测试了所得纳米材料，发现它们与在液体细胞外产生的可比较的纳米材料相同。这证实了它们呼叫可变温度液体透射电子显微镜（VC-LCTEM）的技术 - 可用于了解在常规条件下发生的纳米级聚合过程。

特别感兴趣的是聚合期间产生的形状。在不同的阶段，纳米颗粒可以类似于球体，蠕虫或水母 - 每个术语 - 每个术语 - 每个术语在纳米材料上赋予不同的性质。通过了解自组装研究人员期间发生的事情，可以开始开发方法来诱导特定形状并调整它们的效果。

“这些复杂和明确定义的纳米颗粒随着时间的推移而发展，形成，然后变形，”Sumerlin说。“令人难以置信的是，我们能够看到这些过渡实时发生的方式以及何时。”

Gianneschi认为，这种技术中获得的见解将导致自我组织软件材料的开发和表征的前所未有的可能性 - 以及超出化学的科学学科。

“我们认为这可以成为一种在结构生物学和材料科学中有用的工具，”Gianneschi说。“通过将这一点与机器学习算法集成来分析图像，继续优化和改进分辨率，我们将具有一种技术，可以推进我们对纳米级的聚合的理解，并指导可能变换的纳米材料的设计医学与环境。“

参考：“探测热型液体细胞传输电子显微镜的热组装”由Georg M.Scheutz，Mollie A. Touve，Andrea S. Carlini，John B.Garrison，Karthikeyan Gnanasekaran，布伦特S. Sumerlin和Nathan C. Gianneschi，2020年12月22日，物质.DOI：
10.1016 / J.Matt.2020.11.017

Gianneschi也是McCormick工程学院的生物医学工程和材料科学与工程教授。他举行了生命过程中的成员资格，辛普森查克里学院，罗伯特H.Luire综合癌症中心西北大学。Sumerlin也是佛罗里达大学的宏指科科学与工程中心的代理总监。

该研究，“探测热敏聚合诱导的自组装具有可变温度液体 - 细胞传输电子显微镜，”通过陆军研究办公室（W911NF-17-1-0326）获得了美国国防部的支持。加州大学圣地亚哥的研究人员来了额外的合作。