Une équipe de chercheurs de l'UC San Diego, L'université d'État de Floride et les laboratoires nationaux du nord-ouest du Pacifique ont pour la première fois visualisé la croissance de complexes chimiques « à l'échelle nanométrique » en temps réel, démontrant que les processus dans les liquides à l'échelle d'un milliardième de mètre peuvent être documentés au fur et à mesure qu'ils se produisent.

La réalisation, qui permettront de nombreuses avancées futures en nanotechnologie, est détaillé dans un article publié en ligne aujourd'hui dans le Journal de l'American Chemical Society . Les chimistes et les scientifiques des matériaux pourront utiliser ce nouveau développement dans leur recherche fondamentale et appliquée, par exemple, pour mieux comprendre la formation par étapes des nanostructures.

Précédemment, les scientifiques ne pouvaient examiner les changements dans les nanostructures qu'en examinant les altérations à grande échelle d'une population massive de particules ou en prenant des «captures d'écran» de manière statique de nanostructures individuelles au microscope électronique.

"Ce processus, c'est comme prendre des photos toutes les 10 minutes d'un match de football, puis essayer de reconstituer ces photos pour raconter l'histoire de ce qui est vraiment un processus très dynamique, " dit Nathan Gianneschi, professeur agrégé de chimie et de biochimie à l'UC San Diego qui a dirigé l'effort de recherche avec Seth Cohen, président du département de chimie et de biochimie de l'UC San Diego.

'Jusqu'à maintenant, c'était l'état de l'art quant à la façon dont nous pouvions documenter la formation des nanostructures. Le développement que nous décrivons dans notre article démontre que ces processus peuvent être observés en temps réel, en filmant littéralement ces processus à l'échelle nanométrique à l'aide d'un microscope électronique.'

Le développement a utilisé un processus récemment développé appelé microscopie électronique à transmission par cellule liquide. La microscopie électronique à transmission, ou TEM, a longtemps été utilisé par les scientifiques pour imager des matériaux à l'échelle nanométrique et comprendre la structure à l'échelle nanométrique. Alors que les progrès de la MET à cellules liquides, ou LCTEM, avait permis aux scientifiques de visualiser le mouvement d'objets nanométriques dans des liquides, les chercheurs n'avaient pas encore trouvé un moyen de l'utiliser pour visualiser la croissance de complexes auto-assemblés, nanostructures chimiques.

«Nous avons montré pour la première fois que cette technique peut être utilisée pour observer la croissance de matériaux hybrides organiques-inorganiques complexes, offrant une compréhension sans précédent de leur formation, " dit Gianneschi. «Cette démonstration marque une avancée significative dans le LCTEM qui devient essentiel pour notre compréhension des processus à l'échelle nanométrique pour tous les matériaux dans les liquides.»

L'équipe de scientifiques comprenait Joseph Patterson et Michael Denny de l'UC San Diego, Patricia Abellan, Nigel Browning et James Evans du Pacific Northwest National Laboratory et Chiwoo Park de l'État de Floride. Patterson, le premier auteur de l'article, a fait toute la microscopie à transmission de cellules liquides aux instruments de l'UC San Diego et du PNNL avec l'aide d'Evans, qui est un expert de la technique, tandis que Park était responsable de l'analyse vidéo.

Pour simplifier les choses, les chercheurs ont commencé par étudier un système chimique connu pour s'assembler avec un nombre limité de composants et donner naissance à des matériaux bien définis.

« Nous avons considéré que les cadres métallo-organiques étaient le point de départ idéal pour cela car ils donnent des structures ordonnées grâce à un processus d'assemblage et incluent des composants organiques et inorganiques, " dit Gianneschi. «La première étape consistait à déterminer si ces nanostructures survivraient à l'expérience. Cela est nécessaire car les matériaux sont susceptibles d'être détruits par le faisceau d'électrons à haute énergie qui est utilisé pour les imager. Une fois ces conditions établies, nous avons ensuite été en mesure d'acheminer les composants dans l'instrument TEM, en solvant, et observez le processus d'assemblage. Cela a été rendu possible en utilisant un porte-cellule d'échantillon spécial pour le MET qui nous a permis de mettre des liquides dans une chambre, dans l'instrument à vide poussé. Nous pourrions alors imager à travers la chambre, pour voir ce qu'il y a à l'intérieur.

La démonstration des scientifiques que de tels complexes chimiques peuvent être imagés en temps réel suggère que les processus complexes d'autres « auto-assemblages délicats » pourraient être élucidés plus en détail, tels que les produits chimiques et les virus produits biologiquement, qui sont plus de mille fois plus petites que les bactéries.

«Cette avancée fournit un outil pour observer les matériaux lors de leur assemblage avec des résolutions possibles uniquement en utilisant la microscopie électronique, ', a déclaré Gianneschi. 'C'est-à-dire, des échelles de longueur peuvent être observées qui sont pertinentes pour les matériaux et les processus à l'échelle nanométrique. En termes de dynamique d'imagerie comme celle-ci, nous pensons que cela aura un impact sur la façon dont la nanotechnologie sera développée à l'avenir.'