西北大学的研究人员开发了一种新的显微技术，可以让科学家们看到纳米尺度下“智能”材料的组成部分。
这一化学过程将改变清洁水和药物的未来，人们将第一次能够看到这一过程的实际操作。
西北大学的Nathan Gianneschi说:“我们的方法使我们能够在纳米尺度上实时观察这类聚合反应，这是以前从未做过的。”“我们现在有能力看到反应的发生，看到这些纳米结构的形成，并学习如何利用它们的不可思议的事情。”
这项研究发表在今天(12月22日)的《Matter》杂志上。
本文是Gianneschi之间协作的结果,国际纳米技术研究所的副主任和雅各布和罗莎琳德科恩教授化学Weinberg艺术与科学学院,和布兰特Sumerlin,乔治和约瑟芬巴特勒文科学院高分子化学教授,佛罗里达大学的理科教授。
这就像将几张足球比赛的照片与包含在整个比赛视频中的信息进行比较一样，“Nathan Gianneschi
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分散聚合是一种常见的科学方法，用于制造药品、化妆品、乳胶和其他物品，通常以工业规模进行。在纳米尺度上，聚合可以用来制造具有独特和宝贵特性的纳米粒子。
这些纳米材料对环境有着巨大的前景，它们可以被用于吸收石油泄漏或其他污染物，而不伤害海洋生物。在医学上，它作为“智能”给药系统的基础，可以设计成进入人体细胞，在特定条件下释放治疗分子。
扩大这些材料的生产一直有困难。最初，由于需要耗时的过程来创建和激活它们，生产受到了阻碍。一种叫做聚合诱导自组装(PISA)的技术将步骤和时间结合起来，但是分子在这个过程中的行为被证明是难以预测的，原因很简单:科学家无法观察到底发生了什么。
纳米级的反应太小了，肉眼无法看到。传统的成像方法只能捕捉聚合的最终结果，而不能捕捉聚合发生的过程。科学家们试图通过在这个过程的不同点采集样本并进行分析来解决这个问题，但仅仅使用快照无法反映整个过程中发生的化学和物理变化的全部情况。
“这就像比较几张足球比赛的照片和包含在整个比赛视频中的信息一样，”扬内斯基说。“如果你理解一种化学物质形成的途径，如果你能看到它是如何发生的，那么你就能学会如何加速它，你就能知道如何扰乱这个过程，这样你就能得到不同的效果。”
透射电子显微镜(TEM)能够拍摄亚纳米分辨率的图像，但它通常用于冷冻样品，不能处理化学反应。通过TEM，一束电子束通过真空射向被测对象;通过研究从另一边出来的电子，就可以显影。然而，图像的质量取决于光束发射出多少电子，而发射太多电子会影响化学反应的结果。换句话说，这是一个观察者效应的例子——观察自我组装可能会改变甚至破坏自我组装。如果你不看的话，你最终得到的将会是不一样的。
为了解决这个问题，研究人员将纳米尺度的聚合物材料插入一个封闭的液态电池中，以保护这些材料不受电子显微镜内部真空的影响。这些材料被设计成能对温度变化做出反应，所以当液体电池内部达到设定温度时，就会开始自我组装。
液体电池被封装在硅芯片中，硅芯片上的电极很小，但功能强大，可以作为加热元件。芯片中嵌入了一个200 x 50纳米大小的微小窗口，可以让低能光束穿过液态电池。
将芯片插入电子显微镜支架，将液态细胞内温度升高至60℃，启动自组装。通过微窗口，可以记录嵌段共聚物的行为和形成过程。
当这个过程完成后，Gianneschi的团队测试了产生的纳米材料，发现它们与液体电池外产生的类似纳米材料是一样的。这证实了这项技术——他们称之为可变温度液体细胞透射电子显微镜(VC-LCTEM)——可以用来理解在普通条件下发生的纳米级聚合过程。
特别有趣的是聚合过程中产生的形状。在不同的阶段，纳米粒子可能像球形、蠕虫或水母——每一种都赋予纳米材料不同的性质。通过了解在自我组装过程中发生了什么，研究人员可以开始开发方法来诱导特定的形状和调整它们的效果。
Sumerlin说:“这些复杂而清晰的纳米粒子会随着时间的推移而进化，随着它们的生长而形成和变形。”“令人难以置信的是，我们能够实时看到这些转变是如何发生的，以及何时发生的。”
Gianneschi相信，从这项技术中获得的见解将为自组织软物质材料的开发和表征带来前所未有的可能性——以及超越化学的科学学科。
Gianneschi说:“我们认为这也可以成为结构生物学和材料科学中有用的工具。”“通过将其与机器学习算法相结合来分析图像，并继续完善和提高分辨率，我们将拥有一种技术，可以推进我们对纳米级聚合的理解，并指导纳米材料的设计，这可能会改变医学和环境。”
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。他是the Chemistry of Life Processes Institute, Simpson Querrey Institute和Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center of Northwestern University的成员。Sumerlin也是大分子科学中心的代理主任。弗罗里达大学工程学专业。
这项研究，“用可变温度液体-细胞透射电子显微镜探索热响应聚合诱导的自组装”，获得了美国国防部通过陆军研究办公室的支持。加州大学圣地亚哥分校的研究人员还进行了其他合作。
——马克Heiden
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.northwestern.edu/stories/2020/12/nano-electron-microscopy/