(Phys.org) —Por lo general, el otoño no es un buen momento para las grandes películas de efectos especiales, ya que los éxitos de taquilla del verano se han desvanecido y los de la temporada navideña aún no se han estrenado. El otoño suele ser el momento de películas reflexivas sobre temas pequeños, lo que la hace perfecta para la presentación de una nueva película producida por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). A través de una combinación de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y su propia celda líquida de grafeno única, los investigadores han registrado el movimiento tridimensional del ADN conectado a los nanocristales de oro. Esta es la primera vez que se utiliza TEM para imágenes dinámicas en 3D de los llamados materiales blandos.

"Nuestra demostración de imágenes dinámicas 3D va más allá del uso convencional de TEM para ver en plano, muestras secas y abre muchas oportunidades interesantes para estudiar la dinámica de conjuntos macromoleculares biológicos y nanoestructuras artificiales, "dice el físico Alex Zettl, uno de los líderes de esta investigación. "Estos resultados fueron posibles gracias a nuestra novedosa celda líquida de grafeno, que puede hacer frente a los desafíos del uso de TEM para obtener imágenes de materiales blandos ".

Zettl, quien tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de UC Berkeley, donde dirige el Centro de Sistemas Nanomecánicos Integrados, es uno de los coautores de un artículo en Letras NANO describiendo esta investigación. El artículo se titula "Movimiento 3D de nanoconjugados de ADN-Au en microscopía electrónica de células líquidas de grafeno".

Paul Alivisatos, Director del Laboratorio de Berkeley y Cátedra Distinguida Samsung de Nanociencia y Nanotecnología de UC Berkeley, es el autor correspondiente. Otros autores son Qian Chen, Jessica Smith, Parque Jungwon, Kwanpyo Kim, Davy Ho y Haider Rasool.

El término "materiales blandos" abarca una amplia variedad de elementos, incluido el ADN, proteínas y otros compuestos biológicos, plástica, medicamentos terapéuticos, electrónica flexible, y ciertos tipos de energía fotovoltaica. A pesar de su omnipresente presencia en nuestra vida diaria, Los materiales blandos plantean muchas preguntas porque el estudio de su dinámica a nanoescala, especialmente los sistemas biológicos, ha sido un desafío. TEM, en el que se utiliza un haz de electrones en lugar de luz para la iluminación y el aumento, proporciona la resolución para tales estudios, pero solo se puede usar en un alto vacío, ya que las moléculas en el aire interrumpen el haz de electrones. Dado que los líquidos se evaporan en alto vacío, muestras de materiales blandos, que se han descrito como "fluidos muy viscosos, "deben sellarse herméticamente en recipientes sólidos especiales (llamados celdas) con una ventana de visualización antes de obtener la imagen con TEM.

En el pasado, las celdas líquidas presentaban ventanas de visualización basadas en silicio cuyo grosor limitaba la resolución y perturbaba el estado natural de los materiales blandos. Zettl y Alivisatos y sus respectivos grupos de investigación superaron estas limitaciones con el desarrollo de una célula líquida basada en una membrana de grafeno de un solo átomo de espesor. Este desarrollo se realizó en estrecha cooperación con investigadores del Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), que se encuentra en Berkeley Lab.

"Nuestras células de grafeno líquido llevaron la resolución espacial de las imágenes de TEM en fase líquida a la escala atómica, pero aún se enfocaron en las trayectorias de crecimiento de los nanocristales metálicos, "dice el autor principal Qian Chen, becario postdoctoral en el grupo de investigación de Alivisatos. "Ahora hemos adoptado la técnica para obtener imágenes de la dinámica 3D de materiales blandos, comenzando con doble hebra (dsDNA) conectado a nanocristales de oro y alcanzado una resolución nanométrica ".

Para crear la celda, dos láminas de grafeno opuestas están unidas entre sí por su atracción de van der Waals. Esto forma una cámara a nanoescala sellada y crea dentro de la cámara una bolsa de solución acuosa estable de aproximadamente 100 nanómetros de altura y una micra de diámetro. La membrana de grafeno de un solo átomo de espesor de las células es esencialmente transparente al haz de electrones TEM, minimizando la pérdida no deseada de electrones de imágenes y proporcionando un contraste y una resolución superiores en comparación con las ventanas basadas en silicio. Las bolsas acuosas permiten hasta dos minutos de imágenes continuas de muestras de material blando expuestas a un haz de electrones de imágenes de 200 kilovoltios. Durante este tiempo, las muestras de material blando pueden girar libremente.

Después de demostrar que su celda de líquido de grafeno puede sellar una solución de muestra acuosa contra un alto vacío TEM, los investigadores de Berkeley lo utilizaron para estudiar los tipos de nanoconjugados de oro-dsDNA que se han utilizado ampliamente como sondas plasmónicas dinámicas.

“La presencia de moléculas de ADN bicatenario incorpora los principales desafíos de estudiar la dinámica de muestras biológicas con TEM en fase líquida, "dice Alivisatos." Los nanocristales de oro de alto contraste facilitan el seguimiento de nuestros especímenes ".

Los grupos Alivisatos y Zettl pudieron observar dímeros, pares de nanopartículas de oro, atado por una sola pieza de dsDNA, y trimers, tres nanopartículas de oro, conectado en una configuración lineal por dos piezas únicas de dsDNA. A partir de una serie de imágenes TEM proyectadas en 2D capturadas mientras las muestras giraban, los investigadores debían reconstruir la configuración 3D y los movimientos de las muestras a medida que evolucionaban con el tiempo.

"Esta información sería inaccesible con las técnicas TEM convencionales, "Dice Chen.

El desarrollo de la técnica de celda líquida para TEM in situ, reportado originalmente en la revista Ciencias en 2012.