Des chercheurs de Northwestern ont développé une nouvelle méthode de microscopie qui permet aux scientifiques de voir les éléments constitutifs des matériaux «intelligents» se former à l'échelle nanométrique.

Le processus chimique est sur le point de transformer l'avenir de l'eau potable et des médicaments et pour la première fois, les gens pourront observer le processus en action.

"Notre méthode nous permet de visualiser cette classe de polymérisation en temps réel, à l'échelle nanométrique, ce qui n'a jamais été fait auparavant, " a déclaré Nathan Gianneschi de Northwestern. " Nous avons maintenant la capacité de voir la réaction se produire, voir ces nanostructures se former, et apprenez à tirer parti des choses incroyables qu'ils peuvent faire."

La recherche a été publiée aujourd'hui (22 décembre) dans la revue Question .

Le papier est le résultat d'une collaboration entre Gianneschi, le directeur associé de l'Institut international de nanotechnologie et le professeur de chimie Jacob et Rosalind Cohn au Weinberg College of Arts and Sciences, et Brent Sumerlin, le professeur George et Josephine Butler de chimie des polymères au Collège des arts libéraux et des sciences de l'Université de Floride.

La polymérisation par dispersion est un processus scientifique courant utilisé pour fabriquer des médicaments, produits de beauté, latex et autres articles, souvent à l'échelle industrielle. Et à l'échelle nanométrique, la polymérisation peut être utilisée pour créer des nanoparticules aux propriétés uniques et précieuses.

Ces nanomatériaux sont très prometteurs pour l'environnement, où ils peuvent être utilisés pour absorber les déversements de pétrole ou d'autres polluants sans nuire à la vie marine. En médecine, comme fondement des systèmes d'administration de médicaments « intelligents », il peut être conçu pour pénétrer dans les cellules humaines et libérer des molécules thérapeutiques dans des conditions spécifiées.

Il y a eu des difficultés à augmenter la production de ces matériaux. Initialement, la production a été entravée par le processus fastidieux requis pour les créer puis les activer. Une technique appelée auto-assemblage induit par polymérisation (PISA) combine des étapes et permet de gagner du temps, mais le comportement des molécules au cours de ce processus s'est avéré difficile à prévoir pour une raison simple :les scientifiques étaient incapables d'observer ce qui se passait réellement.

Les réactions à l'échelle nanométrique sont bien trop petites pour être observées à l'œil nu. Les méthodes d'imagerie traditionnelles ne peuvent capturer que le résultat final de la polymérisation, pas le processus par lequel il se produit. Les scientifiques ont essayé de contourner ce problème en prélevant des échantillons à divers points du processus et en les analysant, mais n'utiliser que des instantanés n'a pas permis de raconter toute l'histoire des changements chimiques et physiques qui se sont produits tout au long du processus.

"C'est comme comparer quelques photos d'un match de football aux informations contenues dans une vidéo de l'ensemble du match, " a déclaré Gianneschi. " Si vous comprenez la voie par laquelle un produit chimique se forme, si vous pouvez voir comment cela s'est produit, alors vous pouvez apprendre comment l'accélérer, et vous pouvez découvrir comment perturber le processus afin d'obtenir un effet différent."

La microscopie électronique à transmission (MET) est capable de prendre des images à une résolution inférieure au nanomètre, mais il est généralement utilisé pour les échantillons congelés, et ne gère pas non plus les réactions chimiques. Avec TEM, un faisceau d'électrons est tiré dans le vide, vers le sujet; en étudiant les électrons qui sortent de l'autre côté, une image peut être développée. Cependant, la qualité de l'image dépend du nombre d'électrons tirés par le faisceau - et tirer trop d'électrons affectera le résultat de la réaction chimique. En d'autres termes, c'est un cas d'effet d'observateur - regarder l'auto-assemblage pourrait altérer ou même endommager l'auto-assemblage. Ce que vous obtenez est différent de ce que vous auriez eu si vous n'aviez pas regardé.

Résoudre le problème, les chercheurs ont inséré les matériaux polymères nanométriques dans une cellule liquide fermée qui protégerait les matériaux du vide à l'intérieur du microscope électronique. Ces matériaux ont été conçus pour être réactifs aux changements de température, ainsi, l'auto-assemblage commencerait lorsque l'intérieur de la cellule liquide atteignait une température définie.

La cellule liquide était enfermée dans une puce de silicium avec de petits, mais puissant, électrodes qui servent d'éléments chauffants. Intégré dans la puce se trouve une minuscule fenêtre de 200 x 50 nanomètres qui permettrait à un faisceau de faible énergie de traverser la cellule liquide.

Avec la puce insérée dans le support du microscope électronique, la température à l'intérieur de la cellule liquide est portée à 60˚C, initier l'auto-assemblage. Par la petite fenêtre, le comportement des copolymères séquencés et le processus de formation ont pu être enregistrés.

Une fois le processus terminé, L'équipe de Gianneschi a testé les nanomatériaux résultants et a découvert qu'ils étaient identiques à des nanomatériaux comparables produits à l'extérieur d'une cellule liquide. Cela a confirmé que la technique - qu'ils appellent la microscopie électronique à transmission à cellule liquide à température variable (VC-LCTEM) - peut être utilisée pour comprendre le processus de polymérisation à l'échelle nanométrique tel qu'il se produit dans des conditions ordinaires.

Les formes générées pendant la polymérisation sont particulièrement intéressantes. A différents stades, les nanoparticules peuvent ressembler à des sphères, des vers ou des méduses, qui confèrent chacune des propriétés différentes au nanomatériau. En comprenant ce qui se passe pendant l'auto-assemblage, les chercheurs peuvent commencer à développer des méthodes pour induire des formes spécifiques et ajuster leurs effets.

"Ces nanoparticules complexes et bien définies évoluent avec le temps, se formant puis se transformant au fur et à mesure de leur croissance, " Sumerlin a déclaré. "Ce qui est incroyable, c'est que nous sommes capables de voir à la fois comment et quand ces transitions se produisent en temps réel."

Gianneschi pense que les connaissances acquises grâce à cette technique conduiront à des possibilités sans précédent pour le développement et la caractérisation de matériaux de matière molle auto-organisés et de disciplines scientifiques au-delà de la chimie.

"Nous pensons que cela peut devenir un outil utile en biologie structurelle et en science des matériaux, " a déclaré Gianneschi. " En intégrant cela à des algorithmes d'apprentissage automatique pour analyser les images, et continuer d'affiner et d'améliorer la résolution, nous allons avoir une technique qui peut faire progresser notre compréhension de la polymérisation à l'échelle nanométrique et guider la conception de nanomatériaux qui peuvent potentiellement transformer la médecine et l'environnement. »