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科学家研究的新电子显微镜技术能直接观察到纳米尺度大小的构

时间:2020-12-24 11:41 来源:上海帆丽华  作者:本站整理 点击次数:
 
西北大学的研究人员开发出一种新的显微镜方法,让科学家们可以观察到在纳米尺度上形成的“智能”材料的组合块。
这种化学物质将改变未来的洁净水和药物,人们将首次看到这种化学物质的作用。
NathanGianneschi,西北大学的 NathanGianneschi说:“我们的方法可以让我们实时地在纳米尺度上想象这种类型的聚合,这在以前是没有过的。”现在,我们可以看到反应正在发生,看到这些纳米结构正在形成,并且可以学习如何利用它们实现一些不可思议的功能。
该研究发表于12月22日的期刊上。
本文是国际纳米技术研究所副所长 Jennesski和 Wenberg艺术和科学学院 Jacob和 Rosain Corne化学教授以及佛罗里达大学文理学院 George和 JosephinButlering高分子化学教授 BruntSmering的合作成果。
分散性聚合是一种常用的科学方法,用于制造药品、化妆品、乳胶及其它工业级的产品。聚合可以用来制备纳米级的纳米级颗粒,具有独特的性能和应用价值。
这类纳米材料具有良好的环境前景,可用于吸收漏油或其他污染物,而不会损害海洋生物。医疗方面,作为“智能”药物输送系统的基础,它可以被设计进入。在特定的条件下,人体细胞释放治疗分子。
推广这种材料的生产是有困难的。起初,生产工作被创建并激活它们所需的耗时过程所阻碍。一种被称为聚合诱导的技术,通过自组装(bisa)的组合步骤,可以节省时间,但是由于无法观察到分子在这一过程中的行为,其原因很简单。
这个纳米级的反应太小,肉眼看不到。常规成像方法只能捕获聚合反应的最终结果,无法捕获聚合反应发生的过程。为了解决这个问题,科学家们试着从这个过程的不同阶段取样,进行分析,但是仅仅用照片不能说明整个过程中发生的化学和物理变化。
Jennessky说:“这就像是把一场足球比赛的一些照片和整个比赛的视频中包含的信息相比较。"如果你理解一种化学物质的形成过程,如果你能看到它是如何发生的,那么你就能知道如何加速这一过程,你就能想出如何破坏这一过程而获得不同的结果。"
TEM (TEM)可以拍摄亚纳米分辨率的图像,但通常用于冷冻样品,也不能处理化学反应。在 TEM中,电子束以真空的方式发射到物体上,通过研究来自另一端的电子,就能获得图像。图像的质量取决于光束发射出的电子数量,而电子数量过多会影响化学反应的结果。换言之,这是观察者效应的一个例子——观察自我组合会改变甚至破坏自我组合。假如不去观察,你最终会得到不同的结果。
为解决这一问题,研究者们将纳米聚合物材料插入了一种封闭的液体电池中,以防止该材料在电子显微镜中出现真空。这种材料是根据温度变化而设计的,因此,当液体电池内部温度达到一定时,就开始进行自组装。
一块硅片上的液态细胞被包裹起来用作加热器。晶片上嵌入了一个小窗口——200×50纳米——可以让低能量的光线穿透液体电池。
将晶片插入电子显微镜支架后,液态电池内部温度上升到60℃,开始自组装。利用微窗口可以记录嵌段共聚物的行为及其形成过程。
这一过程结束后, Gianneschi的研究小组对所生产的纳米材料进行了测试,发现它们与液体细胞外所生产的纳米材料相似。他们把这种技术称为变温液体电池。TEM (VC-LCTEM)-可用于了解一般情况下的纳米级聚合反应。
尤其有趣的是聚合过程中所形成的形状。纳米微粒可以在不同的阶段看起来像球状的,蠕虫状的,或者水母状的,每种都有不同的性质。理解了自我组装的过程之后,研究者就可以开始发展能够产生特定形状的方法,并调整其效果。
Soumelin说:“这些复杂而清晰的纳米颗粒是随时间演化,并随着它们的成长而变形。「不可思议的是,我们可以即时看到这些转变是如何发生,以及何时发生的。」
Jennessky认为,这种技术所产生的洞察力,将为除化学之外,开发和表征自组织软质材料和科学学科提供前所未有的可能性。
Jennessky说:“我们认为它可以成为一个工具,在结构生物学和材料科学方面也很有用。将这一方法与机器学习算法结合起来分析图像,并不断改进和提高分辨率,我们就会有一项技术,可以促进我们对纳米级聚合的理解,并指导设计可能改变医学和环境的纳米材料。
 
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