Desde botellas de agua y recipientes de comida hasta juguetes y tubos, muchos materiales modernos están hechos de plástico. Y aunque producimos alrededor de 110 millones de toneladas por año de polímeros sintéticos como polietileno y polipropileno en todo el mundo para estos productos plásticos, Todavía existen misterios sobre los polímeros a escala atómica.

Debido a la dificultad de capturar imágenes de estos materiales a escalas diminutas, Las imágenes de átomos individuales en polímeros solo se han realizado en simulaciones e ilustraciones por computadora, por ejemplo.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por Nitash Balsara, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y profesor de ingeniería química y biomolecular en UC Berkeley, ha adaptado una poderosa técnica de obtención de imágenes basada en electrones para obtener una imagen de estructura a escala atómica en un polímero sintético. El equipo incluyó a investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley.

En última instancia, la investigación podría informar los métodos de fabricación de polímeros y conducir a nuevos diseños para materiales y dispositivos que incorporan polímeros.

En su estudio, publicado en la American Chemical Society Macromoléculas diario, los investigadores detallan el desarrollo de una técnica de obtención de imágenes por microscopía electrónica criogénica, con la ayuda de simulaciones computarizadas y técnicas de clasificación, que identificó 35 arreglos de estructuras cristalinas en una muestra de polímero peptoide. Los peptoides son moléculas producidas sintéticamente que imitan moléculas biológicas, incluyendo cadenas de aminoácidos conocidas como péptidos.

La muestra fue sintetizada robóticamente en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE para la investigación en nanociencia. Los investigadores formaron láminas de polímeros cristalizados que medían alrededor de 5 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor cuando se dispersaban en agua.

"Realizamos nuestros experimentos con las moléculas de polímero más perfectas que pudimos hacer, Balsara dijo que las muestras de peptoides del estudio eran extremadamente puras en comparación con los polímeros sintéticos típicos.

El equipo de investigación creó diminutos copos de nanohojas peptoides, los congeló para conservar su estructura, y luego las imágenes usando un haz de electrones. Un desafío inherente a los materiales de imagen con una estructura blanda, como polímeros, es que el rayo utilizado para capturar imágenes también daña las muestras.

Las imágenes de microscopía electrónica criogénica directa, obtenido usando muy pocos electrones para minimizar el daño del haz, son demasiado borrosos para revelar átomos individuales. Los investigadores lograron una resolución de aproximadamente 2 angstroms, que es dos décimas de nanómetro (mil millonésima parte de un metro), o aproximadamente el doble del diámetro de un átomo de hidrógeno.

Lo lograron al hacerse con más de 500, 000 imágenes borrosas, clasificar diferentes motivos en diferentes "contenedores, "y promediando las imágenes en cada contenedor. Los métodos de clasificación que utilizaron se basaron en algoritmos desarrollados por la comunidad de biología estructural para obtener imágenes de la estructura atómica de las proteínas.

"Aprovechamos la tecnología que la gente de la generación de imágenes de proteínas había desarrollado y la extendimos a la producción humana, materiales blandos, "Dijo Balsara." Sólo cuando los clasificamos y promediamos, esa falta de definición se hizo más clara ".

Antes de estas imágenes de alta resolución, Balsara dijo:se desconocía la disposición y variación de los diferentes tipos de estructuras cristalinas.

"Sabíamos que había muchos motivos, pero todos son diferentes entre sí de formas que no conocíamos, ", dijo." De hecho, incluso el motivo dominante en la hoja peptoide fue una sorpresa ".

Balsara le dio crédito a Ken Downing, un científico senior de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab que falleció en agosto, y Xi Jiang, un científico de proyectos en la División de Ciencias de los Materiales, para capturar las imágenes de alta calidad que fueron fundamentales para el estudio y para desarrollar los algoritmos necesarios para lograr la resolución atómica en las imágenes del polímero.

Su experiencia en microscopía electrónica criogénica se complementó con la capacidad de Ron Zuckermann para sintetizar peptoides modelo. El conocimiento de David Prendergast de las simulaciones de dinámica molecular necesarios para interpretar las imágenes, La experiencia de Andrew Minor en la obtención de imágenes de metales a escala atómica, y la experiencia de Balsara en el campo de la ciencia de los polímeros.

En la Fundición Molecular, Zuckermann dirige la instalación de nanoestructuras biológicas, Prendergast dirige la instalación de teoría, y Minor dirige el Centro Nacional de Microscopía Electrónica y también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. Gran parte de las imágenes crioelectrónicas se llevaron a cabo en las instalaciones de microscopía Krios de UC Berkeley. Gran parte de las imágenes crioelectrónicas se llevaron a cabo en las instalaciones de microscopía Krios de UC Berkeley.

Balsara dijo que su propia investigación sobre el uso de polímeros para baterías y otros dispositivos electroquímicos podría beneficiarse de la investigación, ya que ver la posición de los átomos de polímero podría ayudar enormemente en el diseño de materiales para estos dispositivos.

Las imágenes a escala atómica de los polímeros utilizados en la vida cotidiana pueden necesitar más sofisticación, Mecanismos de filtrado automatizados que se basan en el aprendizaje automático. por ejemplo.

"Deberíamos poder determinar la estructura a escala atómica de una amplia variedad de polímeros sintéticos, como el polietileno y el polipropileno comerciales, aprovechar los rápidos avances en áreas como la inteligencia artificial, usando este enfoque, "Dijo Balsara.

La determinación de las estructuras cristalinas puede proporcionar información vital para otras aplicaciones, como el desarrollo de fármacos, Dado que diferentes motivos de cristal podrían producir propiedades de unión y efectos terapéuticos bastante diferentes, por ejemplo.