De garrafas de água e recipientes de comida a brinquedos e tubos, muitos materiais modernos são feitos de plástico. E embora produzamos cerca de 110 milhões de toneladas por ano de polímeros sintéticos como polietileno e polipropileno em todo o mundo para esses produtos plásticos, ainda existem mistérios sobre polímeros em escala atômica.

Por causa da dificuldade em capturar imagens desses materiais em escalas minúsculas, imagens de átomos individuais em polímeros só foram realizadas em simulações de computador e ilustrações, por exemplo.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Nitash Balsara, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e professor de engenharia química e biomolecular na UC Berkeley, adaptou uma poderosa técnica de imagem baseada em elétrons para obter uma imagem da estrutura em escala atômica em um polímero sintético. A equipe incluiu pesquisadores do Berkeley Lab e UC Berkeley.

A pesquisa pode, em última análise, informar os métodos de fabricação de polímeros e levar a novos projetos para materiais e dispositivos que incorporam polímeros.

Em seu estudo, publicado no American Chemical Society's Macro moléculas Diário, os pesquisadores detalham o desenvolvimento de uma técnica de imagem de microscopia eletrônica criogênica, auxiliado por simulações computadorizadas e técnicas de classificação, que identificou 35 arranjos de estruturas cristalinas em uma amostra de polímero peptóide. Peptoides são moléculas produzidas sinteticamente que imitam moléculas biológicas, incluindo cadeias de aminoácidos conhecidas como peptídeos.

A amostra foi roboticamente sintetizada na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um DOE Office of Science User Facility para pesquisas em nanociência. Os pesquisadores formaram folhas de polímeros cristalizados medindo cerca de 5 nanômetros (bilionésimos de um metro) de espessura quando dispersos na água.

"Conduzimos nossos experimentos nas moléculas de polímero mais perfeitas que poderíamos fazer, "Balsara disse - as amostras de peptóide no estudo eram extremamente puras em comparação com polímeros sintéticos típicos.

A equipe de pesquisa criou pequenos flocos de nanofolhas peptoides, congelou-os para preservar sua estrutura, e, em seguida, fotografei-os usando um feixe de elétrons. Um desafio inerente aos materiais de imagem com uma estrutura macia, como polímeros, é que o feixe usado para capturar as imagens também danifica as amostras.

As imagens de microscopia eletrônica criogênica direta, obtido usando muito poucos elétrons para minimizar os danos do feixe, são borrados demais para revelar átomos individuais. Os pesquisadores alcançaram resolução de cerca de 2 angstroms, que é dois décimos de nanômetro (bilionésimo de um metro), ou cerca do dobro do diâmetro de um átomo de hidrogênio.

Eles conseguiram isso assumindo mais de 500, 000 imagens desfocadas, classificando diferentes motivos em diferentes "caixas, "e calculando a média das imagens em cada compartimento. Os métodos de classificação que eles usaram foram baseados em algoritmos desenvolvidos pela comunidade de biologia estrutural para obter imagens da estrutura atômica das proteínas.

"Aproveitamos a tecnologia que o pessoal da imagiologia de proteínas desenvolveu e a estendemos para a de fabricação humana, materiais macios, "Balsara disse." Só quando os separamos e calculamos a média é que a mancha ficou clara. "

Antes dessas imagens de alta resolução, Balsara disse, o arranjo e a variação dos diferentes tipos de estruturas cristalinas eram desconhecidos.

"Sabíamos que havia muitos motivos, mas eles são diferentes uns dos outros de maneiras que não conhecíamos, "disse ele." Na verdade, até mesmo o motivo dominante na folha peptóide foi uma surpresa. "

Balsara creditou a Ken Downing, um cientista sênior da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada do Berkeley Lab que faleceu em agosto, e Xi Jiang, um cientista de projeto na Divisão de Ciências de Materiais, para capturar as imagens de alta qualidade que foram centrais para o estudo e para desenvolver os algoritmos necessários para atingir a resolução atômica na imagem de polímero.

Sua experiência em microscopia eletrônica criogênica foi complementada pela capacidade de Ron Zuckermann de sintetizar peptóides modelo, O conhecimento de David Prendergast de simulações de dinâmica molecular necessárias para interpretar as imagens, A experiência de Andrew Minor em imagens de metais em escala atômica, e a experiência de Balsara no campo da ciência de polímeros.

Na Fundição Molecular, Zuckermann dirige a instalação de Nanoestruturas Biológicas, Prendergast dirige o mecanismo de teoria, e Minor dirige o Centro Nacional de Microscopia Eletrônica e também é professor de ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley. Grande parte da imagem crioeletron foi realizada na instalação de microscopia Krios da UC Berkeley. Grande parte da imagem crioeletron foi realizada na instalação de microscopia Krios da UC Berkeley.

Balsara disse que sua própria pesquisa sobre o uso de polímeros para baterias e outros dispositivos eletroquímicos poderia se beneficiar da pesquisa, visto que ver a posição dos átomos de polímero pode ajudar muito no design de materiais para esses dispositivos.

Imagens em escala atômica de polímeros usados ​​na vida cotidiana podem precisar de mais sofisticação, mecanismos de filtragem automatizados que dependem de aprendizado de máquina, por exemplo.

"Devemos ser capazes de determinar a estrutura em escala atômica de uma ampla variedade de polímeros sintéticos, como polietileno comercial e polipropileno, alavancando desenvolvimentos rápidos em áreas como inteligência artificial, usando esta abordagem, "Balsara disse.

A determinação de estruturas cristalinas pode fornecer informações vitais para outras aplicações, como o desenvolvimento de drogas, como diferentes motivos de cristal podem produzir propriedades de ligação e efeitos terapêuticos bastante diferentes, por exemplo.