Con instrumentos altamente especializados, podemos ver materiales en la nanoescala, pero no podemos ver lo que hacen muchos de ellos. Eso limita la capacidad de los investigadores para desarrollar nuevas terapias y nuevas tecnologías que aprovechen sus propiedades inusuales.

Ahora, un nuevo método desarrollado por investigadores de la Universidad Northwestern utiliza simulaciones de Monte Carlo para ampliar las capacidades de la microscopía electrónica de transmisión y responder preguntas fundamentales en la ciencia de los polímeros.

"Esta ha sido una necesidad insatisfecha en la química y la ciencia de los materiales", dijo Nathan C. Gianneschi de Northwestern, quien dirigió la investigación. "Ahora podemos observar los nanomateriales en solventes orgánicos y ver cómo estos sistemas dinámicos se ensamblan, transforman y responden a los estímulos. Nuestros hallazgos proporcionarán una guía valiosa para los investigadores en microscopía".

La investigación se publicó en línea hoy (17 de febrero) en la revista Cell Reports Physical Science .

Gianneschi es profesor de Química Jacob y Rosaline Cohn en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y director asociado del Instituto Internacional de Nanotecnología. Joanna Korpanty, estudiante de posgrado en el laboratorio de Gianneschi, es la primera autora del artículo.

Limitaciones a las imágenes

La microscopía electrónica de transmisión (TEM) permite a los investigadores ver materiales a nanoescala, que es más pequeña que la longitud de onda de la luz visible. El microscopio dispara un haz de electrones a una muestra, que se mantiene en el vacío; al estudiar cómo los electrones se dispersan de la muestra, se puede desarrollar una imagen.

Sin embargo, esta técnica de imagen fundamental tiene limitaciones. Secar una muestra para usarla en el vacío de TEM distorsionará su apariencia y no se puede usar para muestras que existen en una solución líquida o solvente orgánico. Cryogenic-TEM permite a los investigadores examinar especímenes que han sido congelados en una solución, pero no permite que los investigadores observen cómo los especímenes responden al calor, los productos químicos y otros estímulos.

Ese es un problema importante para el estudio de nanomateriales blandos sensibles a la radiación, que son enormemente prometedores para aplicaciones tales como sistemas de administración de fármacos "inteligentes", catálisis y películas ultrafinas. Para aprovechar su potencial, los científicos necesitan ver cómo se comportan estos nanomateriales en diferentes condiciones, pero el TEM convencional y el crio-TEM solo pueden mostrar los efectos secundarios secos o congelados.

El TEM de celda líquida (LCTEM) es un intento de resolver eso. Northwestern ha sido el sitio de varios avances en este campo de microscopía en rápido desarrollo, que inserta materiales a nanoescala solvatados en una celda líquida cerrada que los protege del vacío del microscopio. La celda de líquido está encerrada en un chip de silicio con electrodos pequeños pero potentes que pueden servir como elementos de calentamiento para inducir reacciones térmicas, y el chip tiene una pequeña ventana, de 200 x 50 nanómetros de tamaño, que permite que un haz de electrones atraviese el líquido. celda y crea la imagen.

Sin embargo, ser golpeado por un haz de electrones dejará una marca. En este caso, el uso de más electrones daría lugar a una imagen más clara, ya que habría más para dispersar, pero también daría lugar a una muestra dañada, especialmente en el caso de los nanomateriales blandos sensibles a la radiación. Suspender la muestra en un solvente orgánico podría protegerla de daños, pero se sabe poco sobre cómo interactúan los haces de electrones con diferentes solventes.

Ahí es donde entra en juego Montecarlo.

"No hay otra imagen que nos proporcione este nivel de comprensión"

Las simulaciones de Monte Carlo se utilizan para predecir los resultados de eventos altamente inciertos. Llamada así por el casino mediterráneo y el destino de carreras de Fórmula Uno, la técnica se inventó en la década de 1940 en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, donde los científicos que trabajaban en armas nucleares tenían suministros limitados de uranio y un umbral extremadamente bajo para prueba y error.

Desde entonces, las simulaciones de Monte Carlo se han convertido en un elemento básico de la evaluación de riesgos financieros, la gestión de la cadena de suministro e incluso las operaciones de búsqueda y rescate. Por lo general, las simulaciones de Monte Carlo usan miles o incluso decenas de miles de muestras aleatorias para tener en cuenta las variables desconocidas y modelar la probabilidad de una variedad de resultados.

El equipo de Gianneschi usó software para modelar un microscopio electrónico de transmisión de células líquidas y luego adaptó la simulación de Monte Carlo para centrarse en las trayectorias de los electrones a través de tres solventes (metanol, agua y dimetilformamida (DMF)) y evaluar las interacciones entre electrones y solventes. Las simulaciones sugirieron que el agua sería el más sensible radiolíticamente de los tres solventes, lo que significa que reaccionará a los electrones y cambiará o incluso dañará la muestra, mientras que el metanol sería el más estable, probablemente dispersará la menor cantidad de electrones y generará una imagen más clara. imagen.

Estos hallazgos modelados luego se verificaron utilizando LCTEM real, donde los investigadores pudieron observar los nanomateriales blandos a medida que se transformaban en gusanos, micelas y otras formas dictadas por las condiciones del solvente, y tomar notas detalladas sobre su comportamiento y propiedades.

Pero más importante que aprender sobre estos tres solventes es la creación de un método para probar la idoneidad de cualquier solvente.

"Podemos usar este método Monte Carlo adaptado para modelar la radiólisis de cualquier solvente orgánico", dijo Korpanty. "Entonces podría comprender el efecto solvente para cualquier experimento que quisiera hacer. Es un gran aumento en el alcance de lo que puede estudiar con esta forma de microscopía".

"Nuestros hallazgos muestran que LCTEM es una forma fantástica de estudiar nanomateriales blandos solvatados", dijo Gianneschi. "No hay otro método de imagen que nos brinde este nivel de comprensión de lo que está sucediendo, cómo estos nanomateriales se comportan de manera diferente a sus contrapartes a granel y qué podemos hacer para perturbarlos para acceder a nuevas propiedades de materiales aún no descubiertas".

El estudio, "Microscopía electrónica de transmisión de fase de solución orgánica de morfología y dinámica de nanoensamblaje de copolímeros", se publica en Cell Reports Physical Science . + Explora más

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