西北大学
经过处理的LCTEM图像显示了由溶剂流动引起的蠕虫到胶束的转化
鸣谢:西北大学 借助高度专业化的仪器，我们可以看到纳米级的材料——但我们看不到其中许多材料的作用
这限制了研究人员开发新疗法和新技术的能力，以利用其不寻常的特性
现在，西北大学研究人员开发的一种新方法是使用蒙特卡罗模拟来扩展透射电子显微镜的功能，并回答聚合物科学中的基本问题
“这在化学和材料科学领域一直是一个未被满足的需求，”西北大学的内森·C
领导这项研究的詹尼斯奇说
“我们现在可以观察有机溶剂中的纳米材料，观察这些动态系统的自我组装、转化和对刺激的反应
我们的发现将为显微镜研究人员提供有价值的指导
" 这项研究于今天(2月1日)在线发表
17)在《细胞报告物理科学》杂志上
詹尼斯奇是西北大学温伯格文理学院的雅各布和罗莎琳·科恩化学教授，也是国际纳米技术研究所的副主任
吉安内斯基实验室的研究生乔安娜·科尔潘蒂是这篇论文的第一作者
成像的局限性 透射电子显微镜(TEM)允许研究人员在纳米尺度上观察材料，这小于可见光的波长
显微镜向真空中的样本发射一束电子束；通过研究电子是如何从样品中散射出来的，就可以产生图像
乔安娜·科尔潘蒂和内森·詹尼斯奇在电子显微镜下
鸣谢:西北大学 然而，这种基础成像技术有其局限性
在TEM的真空中干燥样品会扭曲其外观，并且不能用于存在于液体溶液或有机溶剂中的样品
低温透射电镜允许研究人员检查在溶液中冷冻的标本，但不允许研究人员观察标本对热、化学物质和其他刺激的反应
这是研究辐射敏感软纳米材料的一个主要问题，这种材料在“智能”药物输送系统、催化和超薄膜等应用方面有着巨大的前景
为了利用它们的潜力，科学家需要观察这些纳米材料在不同条件下的表现——但传统的TEM和cryo-TEM只能显示干燥或冻结的后效应
液池透射电镜(LCTEM)是解决这一问题的一种尝试
西北大学已经在这个快速发展的显微镜领域取得了几项进展，该领域将溶剂化的纳米材料插入封闭的液体池中，保护它们免受显微镜真空的影响
液体电池被封装在一个硅片中，硅片上有小而强的电极，可以作为加热元件来引发热反应，芯片有一个200 x 50纳米大小的小窗口，允许电子束穿过液体电池并创建图像
然而，被电子束击中会留下痕迹
在这种情况下，使用更多的电子会导致更清晰的图像——因为会有更多的电子散射——但这也会导致样本受损，特别是在辐射敏感的软纳米材料的情况下
将标本悬浮在有机溶剂中可以保护它免受损坏，但对电子束如何与不同的溶剂相互作用却知之甚少
这就是蒙特卡洛的由来
“没有其他图像能给我们这种程度的理解” 蒙特卡罗模拟用于预测高度不确定事件的结果
这项技术以地中海赌场和一级方程式赛车目的地命名，实际上是在20世纪40年代由洛斯阿拉莫斯国家实验室发明的，当时研究核武器的科学家只有有限的铀供应和极低的试错门槛
自那以后，蒙特卡洛模拟已经成为金融风险评估、供应链管理、甚至搜救行动的主要手段
通常，蒙特卡罗模拟使用数千甚至数万个随机样本来解释未知变量，并对一系列结果的可能性进行建模
Gianneschi的团队使用软件对液体细胞透射电子显微镜进行建模，然后采用蒙特卡罗模拟专注于电子通过三种溶剂(甲醇、水和二甲基甲酰胺(DMF))的轨迹，并评估电子和溶剂之间的相互作用
模拟表明，水是三种溶剂中对辐射最敏感的——这意味着它会对电子发生反应，改变甚至损坏样本——而甲醇是最稳定的，可能散射的电子最少，生成的图像更清晰
这些模型化的发现然后使用实际的LCTEM进行验证，在LCTEM中，研究人员可以观察软纳米材料转化为蠕虫、胶束和其他由溶剂条件决定的形状，并详细记录它们的行为和属性
但比了解这三种溶剂更重要的是创造一种测试任何溶剂适用性的方法
“我们可以使用这种改进的蒙特卡罗方法来模拟任何有机溶剂的辐解，”Korpanty说
“这样你就能理解你想做的任何实验的溶剂效应
用这种显微镜，你可以研究的范围大大增加了
" “我们的发现表明，LCTEM是研究软的溶剂化纳米材料的一种极好的方法，”Gianneschi说
“没有其他成像方法可以让我们如此了解正在发生的事情，这些纳米材料的行为与它们的大块对应材料有何不同，以及我们可以做些什么来干扰它们以获得新的、尚未发现的材料属性
" 这项名为“共聚物纳米组装形态和动力学的有机溶液相透射电子显微镜”的研究发表在《细胞报告·物理科学》上
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