Así como las proteínas son uno de los componentes básicos de la biología, las nanopartículas pueden servir como componentes básicos para los materiales de la próxima generación. De acuerdo con este paralelo entre la biología y la nanotecnología, una técnica comprobada para determinar las estructuras tridimensionales de proteínas individualesse ha adaptado para determinar las estructuras 3D de nanopartículas individuales en solución.
Un equipo multiinstitucional de investigadores dirigido por el Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. DOE ha desarrollado una nueva técnica llamada "SINGLE" que proporciona las primeras imágenes a escala atómica de nanopartículas coloidalesSINGLE, que significa identificación de estructura 3D de nanopartículas por microscopía electrónica de células líquidas de grafeno, se ha utilizado para reconstruir por separado las estructuras 3D de dos nanopartículas de platino individuales en solución.
"Se requiere comprender los detalles estructurales de las nanopartículas coloidales para unir nuestro conocimiento sobre su síntesis, mecanismos de crecimiento y propiedades físicas para facilitar su aplicación a la energía renovable, la catálisis y muchos otros campos", dice Paul, director del laboratorio y autoridad de nanociencia de Berkeley LabAlivisatos, quien dirigió esta investigación. "Mientras que la mayoría de los estudios estructurales de nanopartículas coloidales se realizan en vacío después de que se completa el crecimiento de los cristales, nuestro método SINGLE nos permite determinar su estructura 3D en una solución, un paso importante para mejorar el diseño de nanopartículas paraaplicaciones de catálisis y de investigación energética "
Alivisatos, quien también tiene la Cátedra Distinguida Samsung en Nanociencia y Nanotecnología en la Universidad de California Berkeley, y dirige el Instituto Kavli Energy NanoSciences en Berkeley Kavli ENSI, es el autor correspondiente de un artículo que detalla esta investigación en la revista ciencia . El artículo se titula "Estructura 3D de nanocristales individuales en solución por microscopía electrónica". Los coautores principales son Jungwon Park de la Universidad de Harvard, Hans Elmlund de la Universidad de Monash de Australia y Peter Ercius de Berkeley Lab. Otros co-los autores son Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Sang Hoon Han, David Weitz y Alex Zettl.
Las nanopartículas coloidales son grupos de cientos a miles de átomos suspendidos en una solución cuyas propiedades químicas y físicas colectivas están determinadas por el tamaño y la forma de las nanopartículas individuales. Técnicas de imagen que se utilizan rutinariamente para analizar la estructura 3D de cristales individuales en unel material no se puede aplicar a nanomateriales suspendidos porque las partículas individuales en una solución no son estáticas. La funcionalidad de las proteínas también está determinada por su tamaño y forma, y los científicos que querían obtener imágenes de las estructuras de proteínas en 3D se enfrentaron a un problema similar.se resolvió mediante una técnica llamada "microscopía crioelectrónica de una sola partícula", en la que decenas de miles de imágenes de microscopía electrónica de transmisión TEM 2D de copias idénticas de una proteína individual o complejo de proteínas congeladas en orientaciones aleatorias se registran y luego se combinan computacionalmente enreconstrucciones 3D de alta resolución. Alivisatos y sus colegas utilizaron este concepto to crear su única técnica.
"En ciencia de los materiales, no podemos asumir que las nanopartículas en una solución son todas idénticas, por lo que necesitamos desarrollar un enfoque híbrido para reconstruir las estructuras 3D de nanopartículas individuales", dice el coautor principal de la ciencia artículo Peter Ercius, científico del personal del Centro Nacional de Microscopía Electrónica NCEM en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"SINGLE representa una combinación de tres avances tecnológicos de las imágenes TEM en ciencias biológicas y de materiales", dice Ercius. "Estos tres avances son el desarrollo de una célula líquida de grafeno que permite obtener imágenes TEM de nanopartículas que giran libremente en la solución, detectores de electrones directosque puede producir películas con una resolución de tiempo de cuadro a cuadro de milisegundos de los nanocristales giratorios, y una teoría para la reconstrucción 3D de una sola partícula ab initio ".
La celda de líquido de grafeno GLC que ayudó a hacer posible este estudio también se desarrolló en Berkeley Lab bajo el liderazgo de Alivisatos. La imagen TEM utiliza un haz de electrones en lugar de luz para iluminación y aumento, pero solo puede usarse en un alto vacíoporque las moléculas en el aire interrumpen el haz de electrones. Dado que los líquidos se evaporan en alto vacío, las muestras en soluciones deben sellarse herméticamente en recipientes sólidos especiales, llamados células, con una ventana de visualización muy delgada antes de tomar imágenes con TEM. En el pasado,Las celdas líquidas presentaban ventanas de visualización basadas en silicio cuya resolución limitada de grosor y perturbaba el estado natural de los materiales de muestra. El GLC desarrollado en el laboratorio de Berkeley presenta una ventana de visualización hecha de una hoja de grafeno que tiene un solo átomo de espesor.
"El GLC nos proporciona una cubierta ultrafina de nuestras nanopartículas mientras mantiene las condiciones líquidas en el vacío TEM", dice Ercius. "Dado que la superficie de grafeno del GLC es inerte, no adsorbe ni perturba el estado natural.de nuestras nanopartículas "
Al trabajar en el TEAM I de NCEM, el microscopio electrónico más potente del mundo, Ercius, Alivisatos y sus colegas pudieron obtener imágenes in situ de los movimientos de traslación y rotación de nanopartículas individuales de platino que tenían menos de dos nanómetros de diámetro. Se eligieron nanopartículas de platinodebido a su alta fuerza de dispersión de electrones y porque su estructura atómica detallada es importante para la catálisis.
"Nuestros estudios anteriores de GLC de nanocristales de platino mostraron que crecen por agregación, lo que resulta en estructuras complejas que no son posibles de determinar por ningún método desarrollado previamente", dice Ercius. "Dado que SINGLE deriva sus estructuras 3D de imágenes de nanopartículas individuales que giranlibremente en solución, permite el análisis de poblaciones heterogéneas de nanopartículas potencialmente desordenadas que se sintetizan en solución, proporcionando así un medio para comprender la estructura y la estabilidad de los defectos a nanoescala ".
El siguiente paso para SINGLE es recuperar un mapa completo de densidad de resolución atómica en 3D de nanopartículas coloidales utilizando una cámara más avanzada instalada en TEAM I que puede proporcionar 400 cuadros por segundo y una mejor calidad de imagen.
"Planeamos obtener imágenes de defectos en nanopartículas hechas de diferentes materiales, partículas del núcleo y también aleaciones hechas de dos especies atómicas diferentes", dice Ercius.
Aquí se puede ver una película de un nanocristal de Pt giratorio único que muestra instantáneas de TEM proyectadas en 2D en muchas orientaciones para la reconstrucción de partículas ab initio http://www.youtube.com/watch?v=W0WtYIlRLw4&feature=youtu.be
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :