Avec des instruments hautement spécialisés, nous pouvons voir des matériaux à l'échelle nanométrique, mais nous ne pouvons pas voir ce que font beaucoup d'entre eux. Cela limite la capacité des chercheurs à développer de nouvelles thérapies et de nouvelles technologies qui tirent parti de leurs propriétés inhabituelles.

Aujourd'hui, une nouvelle méthode développée par des chercheurs de la Northwestern University utilise des simulations de Monte Carlo pour étendre les capacités de la microscopie électronique à transmission et répondre aux questions fondamentales de la science des polymères.

"Cela a été un besoin non satisfait en chimie et en science des matériaux", a déclaré Nathan C. Gianneschi de Northwestern, qui a dirigé la recherche. "Nous pouvons désormais observer les nanomatériaux dans les solvants organiques et observer ces systèmes dynamiques s'auto-assembler, se transformer et répondre aux stimuli. Nos découvertes fourniront un guide précieux aux chercheurs en microscopie."

La recherche a été publiée en ligne aujourd'hui (17 février) dans la revue Cell Reports Physical Science .

Gianneschi est professeur de chimie Jacob et Rosaline Cohn au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et directeur associé de l'Institut international de nanotechnologie. Joanna Korpanty, étudiante diplômée du laboratoire de Gianneschi, est la première auteure de l'article.

Limites de l'imagerie

La microscopie électronique à transmission (TEM) permet aux chercheurs de voir des matériaux à l'échelle nanométrique, qui est plus petite que la longueur d'onde de la lumière visible. Le microscope tire un faisceau d'électrons sur un spécimen, qui est maintenu dans le vide; en étudiant comment les électrons se dispersent sur le spécimen, une image peut être développée.

Cette technique d'imagerie fondamentale a cependant des limites. Le séchage d'un spécimen pour une utilisation dans le vide de TEM déformera son apparence et ne peut pas être utilisé pour des spécimens qui existent dans une solution liquide ou un solvant organique. La cryogénie-TEM permet aux chercheurs d'examiner des spécimens qui ont été congelés dans une solution, mais elle ne permet pas aux chercheurs de voir les spécimens réagir à la chaleur, aux produits chimiques et à d'autres stimuli.

C'est un problème majeur pour l'étude des nanomatériaux mous sensibles aux rayonnements, qui sont extrêmement prometteurs pour des applications telles que les systèmes d'administration de médicaments "intelligents", la catalyse et les films ultra-minces. Afin d'exploiter leur potentiel, les scientifiques doivent voir comment ces nanomatériaux se comportent dans différentes conditions, mais la TEM et la cryo-TEM conventionnelles ne peuvent montrer que les séquelles desséchées ou congelées.

Le TEM à cellule liquide (LCTEM) est une tentative pour résoudre ce problème. Northwestern a été le site de plusieurs avancées dans ce domaine de la microscopie en développement rapide, qui insère des matériaux nanométriques solvatés dans une cellule liquide fermée qui les protège du vide du microscope. La cellule liquide est enfermée dans une puce de silicium avec des électrodes petites mais puissantes qui peuvent servir d'éléments chauffants pour induire des réactions thermiques, et la puce a une minuscule fenêtre de 200 x 50 nanomètres qui permet à un faisceau d'électrons de traverser le liquide. cellule et créez l'image.

Cependant, être touché par un faisceau d'électrons laissera une marque. Dans ce cas, utiliser plus d'électrons conduirait à une image plus claire - car il y en aurait plus à disperser - mais cela conduirait également à un spécimen endommagé, en particulier dans le cas de nanomatériaux mous sensibles aux rayonnements. La suspension de l'échantillon dans un solvant organique pourrait le protéger des dommages, mais on sait peu de choses sur la façon dont les faisceaux d'électrons interagissent avec différents solvants.

C'est là qu'intervient Monte Carlo.

"Aucune autre imagerie ne nous offre ce niveau de compréhension"

Les simulations de Monte Carlo sont utilisées pour prédire les résultats d'événements hautement incertains. Nommée d'après le casino méditerranéen et la destination de course de Formule 1, la technique a en fait été inventée dans les années 1940 au Laboratoire national de Los Alamos, où les scientifiques travaillant sur les armes nucléaires disposaient d'approvisionnements limités en uranium et d'un seuil extrêmement bas pour les essais et erreurs.

Depuis lors, les simulations de Monte Carlo sont devenues un incontournable de l'évaluation des risques financiers, de la gestion de la chaîne d'approvisionnement et même des opérations de recherche et de sauvetage. En règle générale, les simulations de Monte Carlo utilisent des milliers, voire des dizaines de milliers d'échantillons aléatoires pour tenir compte des variables inconnues et modéliser la probabilité d'une plage de résultats.

L'équipe de Gianneschi a utilisé un logiciel pour modéliser un microscope électronique à transmission à cellule liquide, puis a adapté la simulation de Monte Carlo pour se concentrer sur les trajectoires des électrons à travers trois solvants - le méthanol, l'eau et le diméthylformamide (DMF) - et évaluer les interactions entre les électrons et les solvants. Les simulations ont suggéré que l'eau serait le plus radiolytiquement sensible des trois solvants - ce qui signifie qu'il réagirait aux électrons et modifierait ou même endommagerait l'échantillon - tandis que le méthanol serait le plus stable, susceptible de disperser le moins d'électrons et de générer un plus clair photo.

Ces résultats modélisés ont ensuite été vérifiés à l'aide d'un LCTEM réel, où les chercheurs ont pu observer les nanomatériaux mous lorsqu'ils se transformaient en vers, micelles et autres formes dictées par les conditions de solvant, et prendre des notes détaillées sur leur comportement et leurs propriétés.

Mais plus important que l'apprentissage de ces trois solvants est la création d'une méthode pour tester l'adéquation de n'importe quel solvant.

"Nous pouvons utiliser cette méthode de Monte Carlo adaptée pour modéliser la radiolyse de n'importe quel solvant organique", a déclaré Korpanty. "Vous pourriez alors comprendre l'effet de solvant pour n'importe quelle expérience que vous vouliez faire. C'est une énorme augmentation de la portée de ce que vous pouvez étudier avec cette forme de microscopie."

"Nos résultats montrent que le LCTEM est un moyen fantastique d'étudier les nanomatériaux mous et solvatés", a déclaré Gianneschi. "Aucune autre méthode d'imagerie ne nous donne ce niveau de compréhension de ce qui se passe, de la façon dont ces nanomatériaux se comportent différemment de leurs homologues en vrac et de ce que nous pouvons faire pour les perturber afin d'accéder à de nouvelles propriétés de matériaux non encore découvertes."

L'étude, "Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics", est publiée dans Cell Reports Physical Science . + Explorer plus loin

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