(Phys.org) — L'automne n'est généralement pas un bon moment pour les grands films d'effets spéciaux, car les superproductions estivales se sont estompées et celles de la saison des vacances n'ont pas encore ouvert. L'automne est plus souvent le temps des films réfléchis sur de petits sujets, ce qui le rend parfait pour le dévoilement d'un nouveau film produit par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE). Grâce à une combinaison de microscopie électronique à transmission (MET) et de leur propre cellule liquide de graphène unique, les chercheurs ont enregistré le mouvement tridimensionnel de l'ADN connecté à des nanocristaux d'or. C'est la première fois que la MET est utilisée pour l'imagerie dynamique 3D de matériaux dits mous.

"Notre démonstration d'imagerie dynamique 3D va au-delà de l'utilisation conventionnelle du TEM pour voir à plat, des échantillons secs et ouvre de nombreuses opportunités passionnantes pour étudier la dynamique des assemblages macromoléculaires biologiques et des nanostructures artificielles, " dit le physicien Alex Zettl, l'un des chefs de file de cette recherche. "Ces résultats ont été rendus possibles par notre nouvelle cellule liquide au graphène, qui peut relever les défis de l'utilisation de la TEM pour imager des matériaux mous."

Zettl, qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley où il dirige le Centre des systèmes nanomécaniques intégrés, est l'un des co-auteurs d'un article en Lettres NANO décrivant cette recherche. L'article s'intitule "Mouvement 3D des nanoconjugués ADN-Au en microscopie électronique à cellules liquides au graphène".

Paul Alivisatos, Directeur du Berkeley Lab et Samsung Distinguished Chair de l'UC Berkeley en nanoscience et nanotechnologie, est l'auteur correspondant. Les autres auteurs sont Qian Chen, Jessica Smith, Parc Jungwon, Kwanpyo Kim, Davy Ho et Haider Rasool.

Le terme « matériaux souples » englobe une grande variété de choses, y compris l'ADN, protéines et autres composés biologiques, plastiques, médicaments thérapeutiques, électronique souple, et certains types de photovoltaïque. Malgré leur présence omniprésente dans notre quotidien, les matériaux mous posent de nombreuses questions car l'étude de leur dynamique à l'échelle nanométrique, en particulier les systèmes biologiques, a été un défi. TEM, dans lequel un faisceau d'électrons plutôt que de lumière est utilisé pour l'éclairage et le grossissement, fournit la résolution pour de telles études mais ne peut être utilisé que dans un vide poussé car les molécules dans l'air perturbent le faisceau d'électrons. Étant donné que les liquides s'évaporent sous vide poussé, échantillons de matériaux souples, qui ont été décrits comme des "fluides très visqueux, " doit être hermétiquement scellé dans des conteneurs solides spéciaux (appelés cellules) avec une fenêtre de visualisation avant d'être imagé avec MET.

Autrefois, les cellules liquides présentaient des fenêtres de visualisation à base de silicium dont l'épaisseur limitait la résolution et perturbait l'état naturel des matériaux mous. Zettl et Alivisatos et leurs groupes de recherche respectifs ont surmonté ces limitations avec le développement d'une cellule liquide basée sur une membrane de graphène d'une épaisseur d'un seul atome. Ce développement s'est fait en étroite collaboration avec des chercheurs du Centre National de Microscopie Electronique (NCEM), qui est situé au Berkeley Lab.

"Nos cellules liquides au graphène ont poussé la résolution spatiale de l'imagerie TEM en phase liquide à l'échelle atomique mais se sont toujours concentrées sur les trajectoires de croissance des nanocristaux métalliques, " dit l'auteur principal Qian Chen, un stagiaire postdoctoral dans le groupe de recherche d'Alivisatos. "Maintenant, nous avons adopté la technique d'imagerie de la dynamique 3D des matériaux mous, en commençant par un double brin (ADNds) connecté à des nanocristaux d'or et atteint une résolution nanométrique."

Pour créer la cellule, deux feuilles de graphène opposées sont liées l'une à l'autre par leur attraction van der Waals. Cela forme une chambre nanométrique scellée et crée à l'intérieur de la chambre une poche de solution aqueuse stable d'environ 100 nanomètres de hauteur et d'un micron de diamètre. La membrane de graphène épaisse d'un seul atome des cellules est essentiellement transparente au faisceau d'électrons TEM, minimisant la perte indésirable d'électrons d'imagerie et offrant un contraste et une résolution supérieurs par rapport aux fenêtres à base de silicium. Les poches aqueuses permettent jusqu'à deux minutes d'imagerie continue d'échantillons de matériaux mous exposés à un faisceau d'électrons d'imagerie de 200 kilovolts. Pendant ce temps, les échantillons de matériaux mous peuvent tourner librement.

Après avoir démontré que leur cellule liquide au graphène peut sceller une solution d'échantillon aqueuse contre un vide poussé TEM, les chercheurs de Berkeley l'ont utilisé pour étudier les types de nanoconjugués or-ADNdb qui ont été largement utilisés comme sondes plasmoniques dynamiques.

« La présence de molécules d'ADN double brin intègre les enjeux majeurs de l'étude de la dynamique des échantillons biologiques avec la MET en phase liquide, " dit Alivisatos. " Les nanocristaux d'or à contraste élevé facilitent le suivi de nos spécimens. "

Les groupes Alivisatos et Zettl ont pu observer des dimères, paires de nanoparticules d'or, attaché par un seul morceau d'ADNdb, et trimères, trois nanoparticules d'or, connecté dans une configuration linéaire par deux morceaux simples d'ADNdb. À partir d'une série d'images MET projetées en 2D capturées pendant la rotation des échantillons, les chercheurs devaient reconstruire la configuration 3D et les mouvements des échantillons au fur et à mesure de leur évolution dans le temps.

"Ces informations seraient inaccessibles avec les techniques MET classiques, " dit Chen.

Le développement de la technique de la cellule liquide pour la MET in situ, initialement rapporté dans le journal Science en 2012.