Un rendu (gris et rose) de la structure moléculaire d'un polymère peptoïde qui a été étudié par une équipe dirigée par Berkeley Lab et UC Berkeley. Le succès de l'équipe dans l'imagerie de la structure à l'échelle atomique des polymères pourrait éclairer de nouvelles conceptions pour les plastiques, comme ceux qui forment les bouteilles d'eau montrées en arrière-plan. Crédit :Berkeley Lab, Charles Rondeau/PublicDomainPictures.net
Des bouteilles d'eau et des récipients alimentaires aux jouets et tubes, de nombreux matériaux modernes sont en plastique. Et tandis que nous produisons environ 110 millions de tonnes par an de polymères synthétiques comme le polyéthylène et le polypropylène dans le monde pour ces produits en plastique, il y a encore des mystères sur les polymères à l'échelle atomique.
En raison de la difficulté de capturer des images de ces matériaux à des échelles minuscules, les images d'atomes individuels dans les polymères n'ont été réalisées que dans des simulations informatiques et des illustrations, par exemple.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Nitash Balsara, chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'énergie (Berkeley Lab) et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'UC Berkeley, a adapté une puissante technique d'imagerie électronique pour obtenir une image de la structure à l'échelle atomique dans un polymère synthétique. L'équipe comprenait des chercheurs du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley.
La recherche pourrait finalement éclairer les méthodes de fabrication des polymères et conduire à de nouvelles conceptions de matériaux et de dispositifs qui incorporent des polymères.
Dans leur étude, publié dans l'American Chemical Society's Macromolécules journal, les chercheurs détaillent le développement d'une technique d'imagerie par microscopie électronique cryogénique, assisté par des simulations informatisées et des techniques de tri, qui a identifié 35 arrangements de structures cristallines dans un échantillon de polymère peptoïde. Les peptoïdes sont des molécules produites synthétiquement qui imitent les molécules biologiques, y compris des chaînes d'acides aminés appelés peptides.
L'échantillon a été synthétisé par robot à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science pour la recherche en nanosciences. Les chercheurs ont formé des feuilles de polymères cristallisés mesurant environ 5 nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur lorsqu'ils sont dispersés dans l'eau.
"Nous avons mené nos expériences sur les molécules de polymère les plus parfaites que nous puissions fabriquer, " a déclaré Balsara - les échantillons de peptoïdes de l'étude étaient extrêmement purs par rapport aux polymères synthétiques typiques.
La structure à l'échelle atomique simulée (en haut) et l'imagerie à l'échelle atomique moyenne (en bas) d'un échantillon de polymère peptoïde. La barre de vente est de 10 angströms, ou 1 milliardième de mètre. Crédit :Berkeley Lab, UC Berkeley
L'équipe de recherche a créé de minuscules flocons de nanofeuillets peptoïdes, les congeler pour préserver leur structure, puis les a imagés à l'aide d'un faisceau d'électrons. Un défi inhérent à l'imagerie des matériaux à structure souple, tels que les polymères, est que le faisceau utilisé pour capturer les images endommage également les échantillons.
Les images de microscopie électronique cryogénique directe, obtenu en utilisant très peu d'électrons pour minimiser les dommages du faisceau, sont trop flous pour révéler des atomes individuels. Les chercheurs ont atteint une résolution d'environ 2 angströms, qui est deux dixièmes de nanomètre (milliardième de mètre), ou environ le double du diamètre d'un atome d'hydrogène.
Ils y sont parvenus en reprenant 500, 000 images floues, trier différents motifs dans différents "bacs, " et en faisant la moyenne des images dans chaque bac. Les méthodes de tri qu'ils ont utilisées étaient basées sur des algorithmes développés par la communauté de biologie structurale pour imager la structure atomique des protéines.
« Nous avons profité de la technologie que les spécialistes de l'imagerie des protéines avaient développée et l'avons étendue à la fabrication humaine, matières douces, " a déclaré Balsara. " Ce n'est que lorsque nous les avons triés et moyennés que le flou est devenu clair. "
Devant ces images haute résolution, Balsara a dit, l'arrangement et la variation des différents types de structures cristallines étaient inconnus.
"Nous savions qu'il y avait beaucoup de motifs, mais ils sont tous différents les uns des autres d'une manière que nous ne savions pas, " dit-il. " En fait, même le motif dominant dans la feuille peptoïde était une surprise."
Balsara a crédité Ken Downing, un scientifique principal de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée du Berkeley Lab, décédé en août, et Xi Jiang, un scientifique de projet à la Division des sciences des matériaux, pour capturer les images de haute qualité qui étaient au cœur de l'étude et pour développer les algorithmes nécessaires pour atteindre la résolution atomique dans l'imagerie polymère.
Les chercheurs ont développé une carte colorisée (à droite) pour montrer la distribution des différents types de structures cristallines (à gauche) qu'ils ont trouvés dans l'échantillon de polymère peptoïde. La barre d'échelle dans l'image de la carte est de 50 nanomètres, ou 50 milliardièmes de mètre. Crédit :Berkeley Lab, UC Berkeley
Leur expertise en microscopie électronique cryogénique a été complétée par la capacité de Ron Zuckermann à synthétiser des peptoïdes modèles, La connaissance de David Prendergast des simulations de dynamique moléculaire nécessaires à l'interprétation des images, L'expertise d'Andrew Minor dans l'imagerie des métaux à l'échelle atomique, et l'expérience de Balsara dans le domaine de la science des polymères.
A la Fonderie Moléculaire, Zuckermann dirige l'installation de nanostructures biologiques, Prendergast dirige l'installation de théorie, et Minor dirige le Centre national de microscopie électronique et est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. Une grande partie de l'imagerie cryoélectronique a été réalisée à l'installation de microscopie Krios de l'UC Berkeley. Une grande partie de l'imagerie cryoélectronique a été réalisée à l'installation de microscopie Krios de l'UC Berkeley.
Balsara a déclaré que ses propres recherches sur l'utilisation de polymères pour les batteries et autres dispositifs électrochimiques pourraient bénéficier de la recherche, car voir la position des atomes de polymère pourrait grandement aider à la conception de matériaux pour ces dispositifs.
Les images à l'échelle atomique des polymères utilisés dans la vie quotidienne peuvent nécessiter des images plus sophistiquées, des mécanismes de filtrage automatisés qui reposent sur l'apprentissage automatique, par exemple.
"Nous devrions être en mesure de déterminer la structure à l'échelle atomique d'une grande variété de polymères synthétiques tels que le polyéthylène et le polypropylène commerciaux, tirer parti des développements rapides dans des domaines tels que l'intelligence artificielle, en utilisant cette approche, " dit Balsara.
La détermination des structures cristallines peut fournir des informations vitales pour d'autres applications, comme le développement de médicaments, car différents motifs cristallins pourraient produire des propriétés de liaison et des effets thérapeutiques très différents, par exemple.
