La materia blanda abarca una amplia franja de materiales, incluidos los líquidos, polímeros, geles espuma y, lo más importante, biomoléculas. En el corazón de los materiales blandos, gobernando sus propiedades y capacidades generales, son las interacciones de componentes nanométricos. La observación de la dinámica detrás de estas interacciones es fundamental para comprender los procesos biológicos clave, como la cristalización y el metabolismo de proteínas, y podría ayudar a acelerar el desarrollo de nuevas tecnologías importantes, como la fotosíntesis artificial o las células fotovoltaicas de alta eficiencia. Observar estas dinámicas con suficiente resolución ha sido un gran desafío, pero este desafío ahora se enfrenta con una nueva técnica de imágenes a nanoescala no invasiva que se conoce con el acrónimo de CLAIRE.

CLAIRE significa "imagen activada por catodoluminiscencia por transferencia de energía resonante". Inventado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de California (UC) Berkeley, CLAIRE extiende la increíble resolución de la microscopía electrónica a la obtención de imágenes dinámicas de materia blanda.

"La microscopía electrónica tradicional daña los materiales blandos y, por lo tanto, se ha utilizado principalmente para proporcionar información topográfica o de composición sobre sólidos inorgánicos robustos o secciones fijas de muestras biológicas, "dice la química Naomi Ginsberg, quien lidera el desarrollo de CLAIRE. "CLAIRE nos permite convertir la microscopía electrónica en una nueva modalidad de imagen no invasiva para estudiar materiales blandos y proporcionar información espectralmente específica sobre ellos en la nanoescala".

Ginsberg tiene nombramientos con la División de Biociencias Físicas de Berkeley Lab y su División de Ciencias de los Materiales, así como los departamentos de química y física de UC Berkeley. También es miembro del Instituto Kavli Energy NanoScience (Kavli-ENSI) en Berkeley. Ella y su grupo de investigación demostraron recientemente las capacidades de generación de imágenes de CLAIRE aplicando la técnica a nanoestructuras de aluminio y películas de polímero que no podrían haber sido obtenidas directamente con microscopía electrónica.

"¿Qué defectos microscópicos en los sólidos moleculares dan lugar a sus propiedades ópticas y electrónicas funcionales? ¿Mediante qué proceso potencialmente controlable se forman tales sólidos a partir de sus componentes microscópicos individuales? inicialmente en la fase de solución? Las respuestas requieren observar la dinámica de las excitaciones electrónicas o de las propias moléculas mientras exploran paisajes espacialmente heterogéneos en sistemas de fase condensada. "Dice Ginsberg." En nuestra demostración, obtuvimos imágenes ópticas de nanoestructuras de aluminio con una resolución de 46 nanómetros, luego validó la no invasión de CLAIRE mediante la obtención de imágenes de una película de polímero conjugado. La alta resolución, la velocidad y la no invasividad que demostramos con CLAIRE nos posiciona para transformar nuestra comprensión actual de las interacciones biomoleculares clave ".

CLAIRE trabaja esencialmente combinando los mejores atributos de la microscopía óptica y electrónica de barrido en una única plataforma de imágenes. Los microscopios electrónicos de barrido utilizan haces de electrones en lugar de luz para la iluminación y el aumento. Con longitudes de onda mucho más cortas que los fotones de luz visible, Los haces de electrones se pueden utilizar para observar objetos cientos de veces más pequeños que los que se pueden resolver con un microscopio óptico. Sin embargo, estos haces de electrones destruyen la mayoría de las formas de materia blanda y son incapaces de excitación molecular espectralmente específica.

Ginsberg y sus colegas solucionan estos problemas empleando un proceso llamado "catodoluminiscencia, "en el que una película centelleante ultrafina, unos 20 nanómetros de espesor, compuesto de perovskita de itrio aluminio dopado con cerio, se inserta entre el haz de electrones y la muestra. Cuando la película centelleante es excitada por un haz de electrones de baja energía (alrededor de 1 KeV), emite energía que se transfiere a la muestra, haciendo que la muestra irradie. Esta luminiscencia se registra y se correlaciona con la posición del haz de electrones para formar una imagen que no está restringida por el límite de difracción óptica.

Desarrollar la película centelleante e integrarla en un dispositivo de imágenes de microchip fue una tarea enorme, Ginsberg dice:y atribuye el éxito al "talento y la dedicación" de su grupo de investigación. También le da mucho crédito al personal y las capacidades de la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, donde se llevó a cabo la demostración de imágenes CLAIRE.

"Molecular Foundry realmente permitió que las imágenes CLAIRE cobraran vida, ", dice." Colaboramos con los científicos del personal allí para diseñar e instalar un aparato de recolección de luz de alta eficiencia en uno de los microscopios electrónicos de barrido de Foundry y sus consejos y aportes fueron fantásticos. Que podamos trabajar con los científicos de Foundry para modificar la instrumentación y mejorar sus capacidades no solo para nuestros propios experimentos sino también para otros usuarios es algo único ".

Si bien todavía hay más trabajo por hacer para que CLAIRE sea ampliamente accesible, Ginsberg y su grupo están avanzando con más mejoras para varias aplicaciones específicas.

"Estamos interesados ​​en obtener imágenes de materiales funcionales blandos de forma no invasiva, como las capas activas de las células solares y los dispositivos emisores de luz, ", dice." Es especialmente cierto en los híbridos orgánicos e inorgánicos que la morfología de estos materiales es compleja y requiere una resolución a nanoescala para correlacionar las características morfológicas con las funciones ".

Ginsberg y su grupo también están trabajando en la creación de células líquidas para observar interacciones biomoleculares en condiciones fisiológicas. Dado que los microscopios electrónicos solo pueden funcionar en alto vacío, a medida que las moléculas del aire interrumpen el haz de electrones, y dado que los líquidos se evaporan en alto vacío, Las muestras acuosas deben liofilizarse o sellarse herméticamente en celdas especiales.

"Necesitamos células líquidas para que CLAIRE estudie la organización dinámica de las proteínas recolectoras de luz en las membranas fotosintéticas, "Dice Ginsberg." También deberíamos poder realizar otros estudios en biofísica de membranas para ver cómo las moléculas se difunden en entornos complejos, y nos gustaría poder estudiar el reconocimiento molecular a nivel de una sola molécula ".

Además, Ginsberg y su grupo utilizarán CLAIRE para estudiar la dinámica de los sistemas a nanoescala para materiales blandos en general.

"Nos encantaría poder observar los procesos de cristalización o ver cómo un material hecho de componentes a nanoescala se templa o experimenta una transición de fase, ", dice." También nos encantaría poder ver la doble capa eléctrica en una superficie cargada a medida que evoluciona, ya que este fenómeno es crucial para la ciencia de las baterías ".

Se ha publicado en la revista un artículo que describe el trabajo más reciente sobre CLAIRE Nano letras . El artículo se titula "Nanoimagen activada por catodoluminiscencia:microscopía óptica de campo cercano no invasivo en un microscopio electrónico". Ginsberg es el autor correspondiente. Otros autores son Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz y Darrell Schlom.