Amerykańscy naukowcy opracowali nową technikę mikroskopii elektronowej, dzięki której można zobaczyć proces powstawania „inteligentnych” cząsteczek w nanoskali.
Profesor Nathan Gianneschi z Uniwersytetu Northwestern powiedział, że dzięki ich metodzie istnieje teraz możliwość zobaczenia zachodzącej reakcji i sposobu powstawania nanostruktur, a także nauczenia się, jak wykorzystać ich niesamowite możliwości.
Zespół badaczy twierdzi, że ich metoda może zrewolucjonizować polimeryzację dyspersyjną, czyli proces stosowany do wytwarzania leków, kosmetyków, lateksu i innych przedmiotów na skalę przemysłową. W nanoskali polimeryzację można wykorzystać do tworzenia nanocząsteczek o wyjątkowych i cennych właściwościach.
Nanocząsteczki są bardzo obiecujące dla środowiska, bowiem można je wykorzystać do usuwania zanieczyszczeń, np. wchłaniania wycieków ropy lub innych, bez szkody dla życia morskiego. Mogą znaleźć też zastosowanie w medycynie, np. w „inteligentnych” systemach dostarczania leków (z ang. smart drug delivery system, SDDS) nanomateriały mogą zostać zaprojektowane w taki w sposób, aby wnikały do ludzkich komórek i w odpowiednich warunkach uwalniały cząsteczki terapeutyczne.
Tworzenie nanomateriałów jest procesem skomplikowanym i bardzo czasochłonnym. Pomimo to, że stosowana do wytwarzania nanocząstek technika samoorganizacji w tzw. układach PISA (z ang. polymerization-induced self-assembly) łączy poszczególne etapy i zaoszczędza czas, to zachowanie cząsteczek podczas tego procesu okazało się trudne do przewidzenia z jednego prostego powodu: naukowcy nie byli w stanie zaobserwować, co się faktycznie dzieje podczas procesu polimeryzacji. Reakcji w nanoskali nie da się zobaczyć gołym okiem. Tradycyjne metody obrazowania pozwalają uchwycić jedynie końcowy rezultat polimeryzacji, a nie sam proces, w którym ona zachodzi.
Naukowcy próbowali obejść ten problem, badając i analizując różne etapy procesu, ale przy użyciu samych migawek nie udało się zobrazować pełnej historii przemian zachodzących podczas procesów chemicznych i fizycznych. „To tak, jakby porównać kilka zdjęć z meczu piłkarskiego z informacjami zawartymi w filmie z całego meczu” – powiedział prof Gianneschi. „Jeśli zrozumiesz proces tworzenia się substancji chemicznej, możesz nauczyć się go przyspieszać lub dowiedzieć się w jaki sposób go zakłócić, aby uzyskać inny efekt”.
Transmisyjna mikroskopia elektronowa (z ang. Transmission Electron Microscopy, TEM) nie sprawdza się w przypadku reakcji chemicznych, pomimo, że umożliwia obrazowanie nawet z rozdzielczością poniżej nanometra. W metodzie TEM wiązka elektronów jest wystrzeliwana przez próżnię w kierunku próbki; badając elektrony wychodzące z drugiej strony, można uzyskać obraz. Jednak jakość obrazu zależy od liczby elektronów wystrzelonych przez wiązkę – a wystrzelenie zbyt wielu elektronów wpłynie na wynik reakcji chemicznej. Innymi słowy, jest to przypadek efektu obserwatora – czyli obserwowanie samoorganizacji nanostruktur może wpłynąć na zmianę, a nawet zniekształcenie tego procesu samoorganizacji. Efekt końcowy będzie się różnił od tego, który otrzymalibyśmy nie obserwując procesu.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy umieścili nanoskalowe materiały polimerowe w zamkniętej ciekłej komórce, chroniąc materiały przed działaniem próżni wewnątrz mikroskopu elektronowego. Materiały te zostały zaprojektowane w taki sposób, aby reagowały na zmianę temperatury. Tak więc rozpoczęcie samoorganizacji wewnątrz ciekłej komórki nastąpiło dopiero po osiągnięciu określonej temperatury. Ciekła komórka została zamknięta w krzemowym czipie z małymi elektrodami, jednak o dużej mocy i pełniącymi funkcje grzejne. W chipie osadzono małe okno – o wymiarach 200 x 50 nanometrów, umożliwiające niskoenergetycznej wiązce przejście przez ciekłą komórkę. Po włożeniu chipa do uchwytu mikroskopu elektronowego temperatura wewnątrz ciekłej komórki wzrosła do 60 stopni Celcjusza, rozpoczynając samoorganizację polimeryzacji. Przez małe okienko można było zarejestrować zachowanie kopolimerów blokowych oraz ich proces tworzenia.
Po zakończeniu procesu zespół Gianneschi przetestował powstałe nanomateriały i stwierdził, że są one takie same, jak porównywalne nanomateriały wytwarzane poza komórką ciekłą. Potwierdza to, że technika ta – którą nazywają mikroskopią elektronową transmisyjną z komórkami ciekłymi w zmiennej temperaturze (VC-LCTEM) – może być wykorzystana do zrozumienia procesu polimeryzacji w nanoskali zachodzącej w zwykłych warunkach.
Szczególnie interesujące są też kształty, które powstają podczas polimeryzacji. Na różnych etapach nanocząstki mogą przypominać swoim kształtem kule, owady lub nawet meduzę – z których każda nadaje nanomateriałowi inne właściwości. Dzięki zrozumieniu tego, co dzieje się podczas samoorganizacji, naukowcy mogą zacząć opracowywać metody wywoływania określonych kształtów i dostrajania ich efektów.
„Nanocząsteczki ewoluują w czasie, formując się, a następnie zmieniając w miarę wzrostu” – powiedział Sumerlin. „Niesamowite jest to, że jesteśmy w stanie zobaczyć, jak i kiedy te przejścia zachodzą w czasie rzeczywistym”.
Zespół badaczy wiąże duże nadzieje z przyszłością VC-LCTEM, twierdząc, że jest to technika, dzięki której potencjalnie można zmienić medycynę i środowisko.
