Com instrumentos altamente especializados, podemos ver materiais em nanoescala, mas não podemos ver o que muitos deles fazem. Isso limita a capacidade dos pesquisadores de desenvolver novas terapêuticas e novas tecnologias que tirem proveito de suas propriedades incomuns.
Agora, um novo método desenvolvido por pesquisadores da Northwestern University está usando simulações de Monte Carlo para estender as capacidades da microscopia eletrônica de transmissão e responder a questões fundamentais na ciência dos polímeros.

"Esta tem sido uma necessidade não atendida em química e ciência de materiais", disse Nathan C. Gianneschi, da Northwestern, que liderou a pesquisa. "Agora podemos observar nanomateriais em solventes orgânicos e observar esses sistemas dinâmicos se auto-montarem, transformarem e responderem a estímulos. Nossas descobertas fornecerão um guia valioso para pesquisadores em microscopia".

A pesquisa foi publicada online hoje (17 de fevereiro) na revista Cell Reports Physical Science .

Gianneschi é o professor de química Jacob e Rosaline Cohn no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e diretor associado do International Institute for Nanotechnology. Joanna Korpanty, estudante de pós-graduação no laboratório de Gianneschi, é a primeira autora do artigo.

Limitações à geração de imagens

A microscopia eletrônica de transmissão (TEM) permite que os pesquisadores vejam materiais em nanoescala, que é menor que o comprimento de onda da luz visível. O microscópio dispara um feixe de elétrons em uma amostra, que é mantida no vácuo; estudando como os elétrons se espalham pela amostra, uma imagem pode ser desenvolvida.

Esta técnica de imagem fundamental tem limitações, no entanto. A secagem de uma amostra para uso no vácuo de TEM irá distorcer sua aparência e não pode ser usada para amostras que existem em uma solução líquida ou solvente orgânico. O TEM criogênico permite que os pesquisadores examinem espécimes que foram congelados em uma solução, mas não permite que os pesquisadores observem os espécimes responderem ao calor, produtos químicos e outros estímulos.

Esse é um grande problema para o estudo de nanomateriais moles sensíveis à radiação, que são extremamente promissores para aplicações como sistemas de entrega de drogas "inteligentes", catálise e filmes ultrafinos. Para aproveitar seu potencial, os cientistas precisam ver como esses nanomateriais se comportam sob diferentes condições - mas o TEM convencional e o crio-TEM só podem mostrar os efeitos posteriores secos ou congelados.

Liquid-cell TEM (LCTEM) é uma tentativa de resolver isso. A Northwestern tem sido o local de vários avanços neste campo de microscopia em rápido desenvolvimento, que insere materiais em nanoescala solvatados em uma célula líquida fechada que os protege do vácuo do microscópio. A célula de líquido é encerrada em um chip de silício com eletrodos pequenos, mas poderosos, que podem servir como elementos de aquecimento para induzir reações térmicas, e o chip possui uma pequena janela - 200 x 50 nanômetros de tamanho - que permite que um feixe de elétrons passe pelo líquido célula e criar a imagem.

No entanto, ser atingido por um feixe de elétrons deixará uma marca. Nesse caso, o uso de mais elétrons levaria a uma imagem mais clara – já que haveria mais deles para se espalhar – mas também levaria a um espécime danificado, especialmente no caso de nanomateriais moles sensíveis à radiação. Suspender a amostra em um solvente orgânico pode protegê-la de danos, mas pouco se sabe sobre como os feixes de elétrons interagem com diferentes solventes.

É aí que entra Monte Carlo.

"Não há nenhuma outra imagem que nos dê esse nível de compreensão"

As simulações de Monte Carlo são usadas para prever resultados de eventos altamente incertos. Batizada em homenagem ao cassino do Mediterrâneo e destino de corrida de Fórmula 1, a técnica foi inventada na década de 1940 no Laboratório Nacional de Los Alamos, onde cientistas que trabalhavam em armas nucleares tinham suprimentos limitados de urânio e um limite extremamente baixo para tentativa e erro.

Desde então, as simulações de Monte Carlo tornaram-se um elemento básico da avaliação de riscos financeiros, gerenciamento da cadeia de suprimentos e até operações de busca e resgate. Normalmente, as simulações de Monte Carlo usam milhares ou mesmo dezenas de milhares de amostras aleatórias para contabilizar variáveis ​​desconhecidas e modelar a probabilidade de uma série de resultados.

A equipe de Gianneschi usou um software para modelar um microscópio eletrônico de transmissão de célula líquida e, em seguida, adaptou a simulação de Monte Carlo para se concentrar nas trajetórias dos elétrons através de três solventes – metanol, água e dimetilformamida (DMF) – e avaliar as interações entre elétrons e solventes. As simulações sugeriram que a água seria o mais radioliticamente sensível dos três solventes - o que significa que reagiria aos elétrons e mudaria ou até danificaria a amostra - enquanto o metanol seria o mais estável, provavelmente dispersaria menos elétrons e geraria uma amostra mais clara. imagem.

Essas descobertas modeladas foram então verificadas usando o LCTEM real, onde os pesquisadores puderam observar os nanomateriais macios à medida que se transformavam em vermes, micelas e outras formas ditadas pelas condições do solvente – e fazer anotações detalhadas sobre seu comportamento e propriedades.

Mas mais importante do que aprender sobre esses três solventes é a criação de um método para testar a adequação de qualquer solvente.

"Podemos usar este método de Monte Carlo adaptado para modelar a radiólise de qualquer solvente orgânico", disse Korpanty. "Então você poderia entender o efeito do solvente para qualquer experimento que você quisesse fazer. É um grande aumento no escopo do que você pode estudar com esta forma de microscopia."

"Nossas descobertas mostram que o LCTEM é uma maneira fantástica de estudar nanomateriais moles e solvatados", disse Gianneschi. “Não há outro método de imagem que nos dê esse nível de compreensão do que está acontecendo, como esses nanomateriais se comportam de maneira diferente de seus equivalentes em massa e o que podemos fazer para perturbá-los para acessar novas propriedades de materiais ainda não descobertas”.

O estudo, "Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics", foi publicado em Cell Reports Physical Science . + Explorar mais

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