未来电子显微镜可看见纳米尺度化学反应过程

电子显微镜技术有了新的进展,新发表的“可变温液态临场穿透式电子显微镜”(variable-temperature liquid-cell tr​​ansmission electron microscopy, VC-LCTEM)可用于观测进行中的化学反应,让科学家一窥智慧材料在纳米尺度下的形成。

这个研究去(2020)年12月22日发表于期刊《物质》(Matter),由国际纳米技术研究所(International Institute for Nanotechnology)副所长、西北大学(Northwestern University)吉阿内斯基(Nathan Gianneschi),与佛罗里达大学(University of Florida)苏莫林(Brent Sumerlin)共同主持。

分散聚合反应( d i s p e r s i o n polymerization)常用于量产药物、化妆品等领域,并用以产生特殊的纳米材料(nanomaterials)。这类材料有很大的应用潜力,如在医学上作为“智能”药物的基础,可以设计在进入特定的细胞或条件下才释出治疗的化学分子。但扩大这类材料的生产,一直存在相当难度,尤其是过去无法直接观察化学反应进行,缺乏对中间过程的了解。

穿透式电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)影像解析度可达次纳米级(sub-nanometer),但是主要适用于冷冻样品的观察,难以应用于化学反应。本次发表的新技术“VC-LCTEM”,应用TEM, 将原料封入液态样品槽(liquid cell)中,保护材料不受显微镜内部真空的影响。此外,使用的化学原料应用了技术“聚合诱导自组装”(polymerization-induced self-assembly, PISA),设计对于温度变化敏感,因此自组装反应将在达到设定的温度时才开始进行。液态样品槽装置在有加热元件的矽晶片上,当完成显微镜设置,就可以提高液态样品槽的温度,引发聚合反应进行,并以显微镜全程记录。

“我们的方法可将纳米层级的聚合反应即时视觉化呈现,这是以前从未做到的。”吉阿内斯基于西北大学的新闻稿上表示未来通过加入机器学习演算法解析影像,持续完善提高解析度,将增进对于纳米尺度下聚合反应的了解,以设计具环境或药品应用潜力的纳米材料。

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