Tecnologia Científica

Nova técnica de microscopia eletrônica oferece uma primeira visão de processos anteriormente ocultos
O processo químico foi criado para transformar o futuro da água potável e dos remédios e, pela primeira vez, as pessoas poderão ver o processo em ação.
Por Mark Heiden - 22/12/2020


Uma representação esquemática de pares virtuais de elétron-pósitron aparecendo aleatoriamente perto de um elétron (no canto inferior esquerdo). Crédito: RJHall / Wikipedia

Os pesquisadores da Northwestern desenvolveram um novo método de microscopia que permite aos cientistas ver os blocos de construção de materiais "inteligentes" sendo formados em nanoescala.

O processo químico foi criado para transformar o futuro da água potável e dos remédios e, pela primeira vez, as pessoas poderão ver o processo em ação.

"Nosso método nos permite visualizar essa classe de polimerização em tempo real, em nanoescala, o que nunca foi feito antes", disse Nathan Gianneschi da Northwestern. "Agora temos a capacidade de ver a reação ocorrendo, ver essas nanoestruturas sendo formadas e aprender como tirar vantagem das coisas incríveis que elas podem fazer."

A pesquisa foi publicada hoje (22 de dezembro) na revista Matter .

O artigo é o resultado de uma colaboração entre Gianneschi, o diretor associado do Instituto Internacional de Nanotecnologia e o Professor de Química Jacob e Rosalind Cohn do Weinberg College de Artes e Ciências, e Brent Sumerlin, o professor George and Josephine Butler de Polímero Química no College of Liberal Arts & Sciences da University of Florida.

A polimerização por dispersão é um processo científico comum usado para fazer medicamentos, cosméticos, látex e outros itens, muitas vezes em escala industrial. E em nanoescala, a polimerização pode ser usada para criar nanopartículas com propriedades únicas e valiosas.

Esses nanomateriais são uma grande promessa para o meio ambiente, onde podem ser usados ​​para absorver derramamentos de óleo ou outros poluentes sem prejudicar a vida marinha. Na medicina, como a base dos sistemas "inteligentes" de entrega de medicamentos, pode ser projetado para entrar nas células humanas e liberar moléculas terapêuticas sob condições específicas.

Tem havido dificuldades em aumentar a produção desses materiais. Inicialmente, a produção foi prejudicada pelo processo demorado necessário para criá-los e ativá-los. Uma técnica chamada automontagem induzida por polimerização (PISA) combina etapas e economiza tempo, mas o comportamento das moléculas durante esse processo se mostrou difícil de prever por uma razão simples: os cientistas não foram capazes de observar o que realmente estava acontecendo.
 
As reações em nanoescala são muito pequenas para serem vistas a olho nu. Os métodos de imagem tradicionais podem capturar apenas o resultado final da polimerização, não o processo pelo qual ela ocorre. Os cientistas tentaram contornar isso pegando amostras em vários pontos do processo e analisando-as, mas usar apenas instantâneos não conseguiu contar toda a história das mudanças químicas e físicas que ocorrem ao longo do processo.

"É como comparar algumas fotos de um jogo de futebol com as informações contidas em um vídeo do jogo inteiro", disse Gianneschi. "Se você entender o caminho pelo qual um produto químico se forma, se puder ver como isso ocorreu, poderá aprender como acelerá-lo e descobrir como perturbar o processo para obter um efeito diferente."

"Achamos que isso pode se tornar uma ferramenta útil na biologia estrutural e na ciência dos materiais também", disse Gianneschi. "Integrando isso com algoritmos de aprendizado de máquina para analisar as imagens e continuando a refinar e melhorar a resolução, teremos uma técnica que pode avançar nosso entendimento da polimerização em nanoescala e orientar o design de nanomateriais que podem potencialmente transformar medicina e meio ambiente. "


A microscopia eletrônica de transmissão (TEM) é capaz de obter imagens com resolução sub-nanométrica, mas geralmente é usada para amostras congeladas e também não lida com reações químicas. Com TEM, um feixe de elétrons é disparado através do vácuo, em direção ao sujeito; estudando os elétrons que saem do outro lado, uma imagem pode ser desenvolvida. No entanto, a qualidade da imagem depende de quantos elétrons são disparados pelo feixe - e disparar muitos elétrons afetará o resultado da reação química. Em outras palavras, é o caso do efeito observador - observar a automontagem pode alterar ou mesmo danificar a automontagem. O que você acaba tendo é diferente do que você teria se não estivesse assistindo.

Para resolver o problema, os pesquisadores inseriram os materiais poliméricos em nanoescala em uma célula líquida fechada que protegeria os materiais do vácuo dentro do microscópio eletrônico. Esses materiais foram projetados para responder às mudanças de temperatura, de modo que a automontagem começaria quando o interior da célula de líquido atingisse uma determinada temperatura.

A célula de líquido foi encerrada em um chip de silício com eletrodos pequenos, mas poderosos, que servem como elementos de aquecimento. Embutido no chip está uma janela minúscula - de 200 x 50 nanômetros de tamanho - que permitiria que um feixe de baixa energia passasse pela célula líquida.

Com o chip inserido no suporte do microscópio eletrônico, a temperatura dentro da célula de líquido é elevada para 60˚C, iniciando a automontagem. Através da janela minúscula, o comportamento dos copolímeros em bloco e o processo de formação puderam ser registrados.

Quando o processo foi concluído, a equipe de Gianneschi testou os nanomateriais resultantes e descobriu que eram iguais a nanomateriais semelhantes produzidos fora de uma célula líquida. Isso confirmou que a técnica - que eles chamam de microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas de temperatura variável (VC-LCTEM) - pode ser usada para entender o processo de polimerização em nanoescala conforme ele ocorre em condições normais.

De particular interesse são as formas que são geradas durante a polimerização. Em diferentes estágios, as nanopartículas podem assemelhar-se a esferas, vermes ou águas-vivas - cada um dos quais confere propriedades diferentes ao nanomaterial. Ao compreender o que está acontecendo durante a automontagem, os pesquisadores podem começar a desenvolver métodos para induzir formas específicas e ajustar seus efeitos.

"Essas nanopartículas complexas e bem definidas evoluem ao longo do tempo, formando-se e depois transformando-se à medida que crescem", disse Sumerlin. "O que é incrível é que podemos ver como e quando essas transições ocorrem em tempo real."

Gianneschi acredita que os insights obtidos com essa técnica levarão a possibilidades sem precedentes para o desenvolvimento e caracterização de materiais de matéria macia auto-organizáveis ​​- e disciplinas científicas além da química.

"Achamos que isso pode se tornar uma ferramenta útil na biologia estrutural e na ciência dos materiais também", disse Gianneschi. "Integrando isso com algoritmos de aprendizado de máquina para analisar as imagens e continuando a refinar e melhorar a resolução, teremos uma técnica que pode avançar nosso entendimento da polimerização em nanoescala e orientar o design de nanomateriais que podem potencialmente transformar medicina e meio ambiente. "

 

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