新的电子显微镜技术首次实时查看以前隐藏的过程

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

西北大学的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尺度上形成的“智能”材料的组成部分。

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个过程的实际作用。

“我们的方法使我们能够在纳米尺度上实时可视化这类聚合，这是以前从未做过的，”西北大学的 Nathan Gianneschi 说。“我们现在有能力看到正在发生的反应，看到这些纳米结构的形成，并学习如何利用它们可以做的不可思议的事情。” 

该研究于 2020 年 12 月 22 日发表在Matter杂志上。

AFM-O光学原子力显微镜

这篇论文是国际纳米技术研究所副所长 Gianneschi 和温伯格文理学院化学教授 Jacob and Rosalind Cohn 与 George and Josephine Butler 聚合物教授 Brent Sumerlin 合作的成果。佛罗里达大学文理学院的化学专业。

“这就像将几张足球比赛的照片与整个比赛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工艺，用于制造药物、化妆品、乳胶和其他物品，通常在工业规模上进行。在纳米尺度上，聚合可用于制造具有独特和有价值特性的纳米粒子。

这些纳米材料对环境有很大的希望，它们可以用来吸收石油泄漏或其他污染物，而不会伤害海洋生物。在医学上，作为“智能”给药系统的基础，它可以被设计成在特定条件下进入人体细胞并释放治疗分子。

在扩大这些材料的生产规模方面存在困难。最初，生产受到创建然后激活它们所需的耗时过程的阻碍。一种称为聚合诱导自组装 (PISA) 的技术结合了步骤并节省了时间，但事实证明，分子在此过程中的行为难以预测，原因很简单：科学家无法观察到实际发生的情况。

纳米级的反应太小，肉眼无法看到。传统的成像方法只能捕捉聚合的最终结果，而不是聚合发生的过程。科学家们试图通过在过程中的不同点采集样本并分析它们来解决这个问题，但仅使用快照无法完整地讲述整个过程中发生的化学和物理变化。

“这就像将几张足球比赛的照片与整个比赛视频中包含的信息进行比较，”Gianneschi 说。“如果你了解化学形成的途径，如果你能看到它是如何发生的，那么你就可以学习如何加速它，你就能弄清楚如何扰乱这个过程，从而获得不同的效果。”

透射电子显微镜 (TEM) 能够以亚纳米分辨率拍摄图像，但它通常用于冷冻样品，也不处理化学反应。使用 TEM，电子束通过真空射向对象；通过研究从另一侧出来的电子，可以形成图像。然而，图像的质量取决于光束发射了多少电子——发射过多的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——观察自组装可能会改变甚至损坏自组装。你最终得到的与你不看时得到的不同。

为了解决这个问题，研究人员将纳米级聚合物材料插入一个封闭的液体单元中，以保护材料免受电子显微镜内真空的影响。这些材料被设计为对温度变化做出响应，因此当液体电池内部达到设定温度时，自组装就会开始。

液体电池被封装在一个硅芯片中，该芯片带有小而强大的电极，用作加热元件。嵌入在芯片中的是一个微小的窗口——尺寸为 200 x 50 纳米——它将允许低能量光束穿过液体细胞。

FM-6800 原子力显微镜

将芯片插入电子显微镜的支架中，液池内的温度升高到 60˚C，开始自组装。通过这个微小的窗口，可以记录嵌段共聚物的行为和形成过程。

该过程完成后，Gianneschi 的团队测试了由此产生的纳米材料，发现它们与在液体细胞外生产的可比纳米材料相同。这证实了这项技术——他们称之为变温液体细胞透射电子显微镜（VC-LCTEM）——可用于了解在普通条件下发生的纳米级聚合过程。

特别感兴趣的是聚合过程中产生的形状。在不同阶段，纳米颗粒可能类似于球体、蠕虫或水母——每一种都赋予纳米材料不同的特性。通过了解自组装过程中发生的情况，研究人员可以开始开发方法来诱导特定形状并调整其效果。

“这些复杂且定义明确的纳米颗粒随着时间的推移而演变，随着它们的生长形成并变形，”Sumerlin 说。“令人难以置信的是，我们能够实时看到这些转变是如何以及何时发生的。”

Gianneschi 相信，从这项技术中获得的见解将为自组织软物质材料以及化学以外的科学学科的开发和表征带来前所未有的可能性。 

“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，”Gianneschi 说。“通过将其与机器学习算法相结合来分析图像，并继续改进和提高分辨率，我们将拥有一种技术，可以促进我们对纳米级聚合的理解，并指导可能改变纳米材料的设计医学和环境。”

参考文献：Georg M. Scheutz、Mollie A. Touve、Andrea S. Carlini、John B. Garrison、Karthikeyan Gnanasekaran、Brent S. Sumerlin 的“用可变温度液体细胞透射电子显微镜探测热响应聚合诱导的自组装”和 Nathan C. Gianneschi，2020 年 12 月 22 日，物质。
DOI: 10.1016/j.matt.2020.11.017

Gianneschi 还是麦考密克工程学院的生物医学工程和材料科学与工程教授。他拥有生命过程化学研究所、辛普森奎里研究所和西北大学罗伯特·H·卢里综合癌症中心的会员资格。Sumerlin 还是佛罗里达大学高分子科学与工程中心的代理主任。

这项名为“利用可变温度液体细胞透射电子显微镜探测热响应聚合诱导的自组装”的研究得到了美国国防部通过陆军研究办公室 (W911NF-17-1-0326) 的支持。其他合作来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员。