观察纳米材料形成4-D

当着名物理学家Max Knoll和Ernst Ruska于1933年首次引入透射电子显微镜(TEM)时，它让研究人员能够观察曾经太小而无法研究的细胞，微生物和颗粒。

几十年来，这些高功率仪器仅限于拍摄标本的静态快照，这只是故事的一部分。现在，来自西北大学和佛罗里达大学的研究人员正在填补空白，使这个故事更加完整。

该团队致力于开发一种新型TEM，其中纳米粒子形成动态的多帧视频，使研究人员能够观察样本在空间和时间上的变化。了解这些颗粒如何形成可能会改变研究人员设计未来药物输送系统，油漆，涂料，润滑剂和其他材料的方式，这些材料对纳米级属性的控制可能会对宏观材料产生巨大影响。

“我们已经证明TEM不一定是一种显微镜方法，仅用于分析事后发生的事情 - 反应结束后，”西北大学化学，生物医学工程和材料科学与工程教授Nathan Gianneschi说。共同领导了这项研究。“但是，相反，它可用于在反应发生时将反应可视化。”

佛罗里达大学的George Bergen Butler化学教授，与Gianneschi共同领导这项研究的Brent Sumerlin说：“之前，我们只是对特定情况下的情况进行了快照。” “现在，我们开始实时看到材料的演变，因此我们可以看到转变是如何发生的。这是令人兴奋的。”

Gianneschi和Sumerlin的新技术有三个主要组成部分：聚合诱导自组装(PISA)，组装实验的机器人系统和连接显微镜的摄像头，可以捕捉粒子形成和变化的过程。

作为PISA的专家，Sumerlin长期以来一直使用这种技术，在他的实验室中生产大量定义明确的软材料。他特别使用PISA形成自组装胶束，这是一种具有多种应用的球形纳米材料 - 从肥皂到靶向给药。

尽管胶束以其有趣的功能而众所周知，但它们实际形成的方式存在知识空白。Gianneschi和Sumerlin想知道他们是否可以使用电子显微镜观察胶束 - 在行动中 - 当他们用PISA自组装时。

“因为这些材料是纳米级的，我们显然需要用电子显微镜来观察它们，”西北大学国际纳米技术研究所的成员吉安尼斯基说。“因此，基本上，我们想用电子显微镜作为试管。”

该团队的机器人系统具有高精度和可重复性，可组装制造颗粒所需的所有化学品。然后，显微镜的电子束触发了一个反应，导致胶束开始形成。虽然Gianneschi的相机系统没有捕获胶束的整个转换，但它确实让研究人员能够看到它的一部分。

“我很高兴我们把这部分拉下来，”Gianneschi说。“但是优化系统 - 所以我们可以看到反应的整个轨迹 - 将使我们在未来几年保持忙碌。”

尽管如此，Gianneschi和Sumerlin很高兴他们在电子显微镜中引入了一个重要元素：时间。吉安尼斯基将他们的成就比作烹饪过程。

“想象一下烹饪晚餐而无法观看，”他说。“你可以按照食谱，但你真的不怎么样。你不能看到炉子上的肉棕色或面团上升。你需要能够直接观察它。我们认为这是正常的生活。”

“通过传统的化学分析，有时输出是具有少量峰和谷的二维线，我们用它来了解正在发生的事情，”Sumerlin补充道。“但现在我们实际上正在制造纳米结构并观察它们的形成。这是一个很大的变化。”