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

O processo qua­mico foi criado para transformar o futuro da águapota¡vel e dos remanãdios e, pela primeira vez, as pessoas podera£o ver o processo em ação.

"Nosso manãtodo 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 incra­veis que elas podem fazer."

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

O artigo éo 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 Pola­mero Quí­mica no College of Liberal Arts & Sciences da University of Florida.

A polimerização por dispersão éum processo cienta­fico comum usado para fazer medicamentos, cosmanãticos, la¡tex e outros itens, muitas vezes em escala industrial. E em nanoescala, a polimerização pode ser usada para criar nanoparta­culas com propriedades únicas e valiosas.

Esses nanomateriais são uma grande promessa para o meio ambiente, onde podem ser usados ​​para absorver derramamentos de a³leo 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 terapaªuticas sob condições especa­ficas.

Tem havido dificuldades em aumentar a produção desses materiais. Inicialmente, a produção foi prejudicada pelo processo demorado necessa¡rio para cria¡-los e ativa¡-los. Uma técnica chamada automontagem induzida por polimerização (PISA) combina etapas e economiza tempo, mas o comportamento das moléculas durante esse processo se mostrou difa­cil de prever por uma razãosimples: 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 manãtodos 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 instanta¢neos não conseguiu contar toda a história dasmudanças químicas e físicas que ocorrem ao longo do processo.

"a‰ como comparar algumas fotos de um jogo de futebol com as informações contidas em um va­deo do jogo inteiro", disse Gianneschi. "Se vocêentender o caminho pelo qual um produto qua­mico se forma, se puder ver como isso ocorreu, podera¡ aprender como acelera¡-lo e descobrir como perturbar o processo para obter um efeito diferente."

A microscopia eletra´nica de transmissão (TEM) écapaz de obter imagens com resolução sub-nanomanãtrica, mas geralmente éusada para amostras congeladas e também não lida com reações químicas. Com TEM, um feixe de elanãtrons édisparado atravanãs do va¡cuo, em direção ao sujeito; estudando os elanãtrons que saem do outro lado, uma imagem pode ser desenvolvida. No entanto, a qualidade da imagem depende de quantos elanãtrons são disparados pelo feixe - e disparar muitos elanãtrons afetara¡ o resultado da reação química. Em outras palavras, éo caso do efeito observador - observar a automontagem pode alterar ou mesmo danificar a automontagem. O que vocêacaba tendo édiferente do que vocêteria se não estivesse assistindo.

Para resolver o problema, os pesquisadores inseriram os materiais polimanãricos em nanoescala em uma canãlula la­quida fechada que protegeria os materiais do va¡cuo dentro do microsca³pio eletra´nico. Esses materiais foram projetados para responder a smudanças de temperatura, de modo que a automontagem comea§aria quando o interior da canãlula de la­quido atingisse uma determinada temperatura.

A canãlula de la­quido foi encerrada em um chip de sila­cio com eletrodos pequenos, mas poderosos, que servem como elementos de aquecimento. Embutido no chip estãouma janela minaºscula - de 200 x 50 nana´metros de tamanho - que permitiria que um feixe de baixa energia passasse pela canãlula la­quida.

Com o chip inserido no suporte do microsca³pio eletra´nico, a temperatura dentro da canãlula de la­quido éelevada para 60ËšC, iniciando a automontagem. Atravanãs da janela minaºscula, o comportamento dos copolímeros em bloco e o processo de formação puderam ser registrados.

Quando o processo foi conclua­do, a equipe de Gianneschi testou os nanomateriais resultantes e descobriu que eram iguais a nanomateriais semelhantes produzidos fora de uma canãlula la­quida. Isso confirmou que a técnica - que eles chamam de microscopia eletra´nica de transmissão de células la­quidas de temperatura varia¡vel (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 esta¡gios, as nanoparta­culas podem assemelhar-se a esferas, vermes ou a¡guas-vivas - cada um dos quais confere propriedades diferentes ao nanomaterial. Ao compreender o que estãoacontecendo durante a automontagem, os pesquisadores podem comea§ar a desenvolver manãtodos para induzir formas especa­ficas e ajustar seus efeitos.

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

Gianneschi acredita que os insights obtidos com essa técnica levara£o a possibilidades sem precedentes para o desenvolvimento e caracterização de materiais de matéria macia auto-organiza¡veis ​​- e disciplinas cienta­ficas 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 ma¡quina para analisar as imagens e continuando a refinar e melhorar a resolução, teremos uma técnica que pode avana§ar nosso entendimento da polimerização em nanoescala e orientar o design de nanomateriais que podem potencialmente transformar medicina e meio ambiente. "