聚合物帶入原子級(jí)聚焦

從水瓶和食品容器到玩具和管材，許多現(xiàn)代材料都是由塑料制成的。雖然我們每年為這些塑料產(chǎn)品生產(chǎn)約1.1億噸合成聚合物，如聚乙烯和聚丙烯，但仍然存在原子級(jí)聚合物的謎團(tuán)。

由于難以以微小尺度捕獲這些材料的圖像，因此聚合物中的各個(gè)原子的圖像僅在例如計(jì)算機(jī)模擬和圖示中實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，由能源部勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)材料科學(xué)部門的高級(jí)教員科學(xué)家和加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)和生物分子工程教授Nitash Balsara領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)采用了強(qiáng)大的電子技術(shù)成像技術(shù)，以獲得合成聚合物中的原子級(jí)結(jié)構(gòu)的圖像。該團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員。

該研究最終可以為聚合物制造方法提供信息，并為包含聚合物的材料和器件帶來(lái)新的設(shè)計(jì)。

在他們的研究中，發(fā)表在化學(xué)學(xué)會(huì)的大分子雜志上，研究人員詳細(xì)介紹了低溫電子顯微鏡成像技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在計(jì)算機(jī)模擬和分選技術(shù)的幫助下，確定了擬肽聚合物樣品中35種晶體結(jié)構(gòu)排列。擬肽是合成產(chǎn)生的分子，其模擬生物分子，包括稱為肽的氨基酸鏈。

該樣品是在Berkeley Lab的Molecular Foundry機(jī)器人合成的，這是一個(gè)DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，用于納米科學(xué)研究。研究人員在分散于水中時(shí)形成厚度約為5納米(十億分之一米)的結(jié)晶聚合物片。

“我們對(duì)可以制造的最完美的聚合物分子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，”Balsara說(shuō) - 與典型的合成聚合物相比，研究中的擬肽樣品非常純凈。

研究小組制作了微小的擬肽納米片，凍結(jié)它們以保留其結(jié)構(gòu)，然后用電子束成像。具有柔軟結(jié)構(gòu)的成像材料(例如聚合物)的固有挑戰(zhàn)是用于捕獲圖像的光束也會(huì)損壞樣品。

使用非常少的電子以最小化光束損傷獲得的直接低溫電子顯微鏡圖像太模糊而不能揭示單個(gè)原子。研究人員實(shí)現(xiàn)了大約2埃的分辨率，這是二十分之一納米(十億分之一米)，或大約是氫原子直徑的兩倍。

他們通過(guò)拍攝超過(guò)500,000張模糊圖像，將不同的圖案分類到不同的“箱子”中，并對(duì)每個(gè)箱子中的圖像進(jìn)行平均來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他們使用的分選方法基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)界開(kāi)發(fā)的算法，用于對(duì)蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。

“我們利用蛋白質(zhì)成像人員開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并將其擴(kuò)展到人造軟質(zhì)材料，”Balsara說(shuō)。“只有當(dāng)我們對(duì)它們進(jìn)行分類并對(duì)它們進(jìn)行平均時(shí)，才會(huì)明白這種模糊性。”

在這些高分辨率圖像之前，Balsara說(shuō)，不同類型的晶體結(jié)構(gòu)的排列和變化是未知的。

“我們知道有許多圖案，但它們?cè)谖覀儾恢赖姆绞缴媳舜瞬煌?rdquo;他說(shuō)。“事實(shí)上，即使是擬肽片中的主導(dǎo)圖案也是一個(gè)驚喜。”

Balsara認(rèn)為，8月去世的伯克利實(shí)驗(yàn)室分子生物物理學(xué)和綜合生物成像部門的高級(jí)科學(xué)家Ken Downing 和材料科學(xué)部門的項(xiàng)目科學(xué)家Xi Jiang 捕獲了研究中心的高質(zhì)量圖像。用于開(kāi)發(fā)在聚合物成像中實(shí)現(xiàn)原子分辨率所必需的算法。

他們?cè)诘蜏仉娮语@微鏡方面的專業(yè)知識(shí)得到了Ron Zuckermann合成模型擬肽的能力的補(bǔ)充，David Prendergast對(duì)解釋圖像所需的分子動(dòng)力學(xué)模擬知識(shí)，Andrew Minor在原子尺度上成像金屬的專業(yè)知識(shí)，以及Balsara在聚合物科學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。

在Molecular Foundry，Zuckermann指導(dǎo)生物納米結(jié)構(gòu)設(shè)施，Prendergast指導(dǎo)理論設(shè)施，Minor指導(dǎo)電子顯微鏡中心，也是加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)和工程教授。大部分低溫電子成像是在加州大學(xué)伯克利分校的Krios顯微鏡設(shè)施中進(jìn)行的。

Balsara表示，他自己研究將聚合物用于電池和其他電化學(xué)裝置可以從這項(xiàng)研究中獲益，因?yàn)榭吹骄酆衔镌拥奈恢每梢詷O大地幫助這些裝置的材料設(shè)計(jì)。

例如，日常生活中使用的聚合物的原子級(jí)圖像可能需要更復(fù)雜的自動(dòng)過(guò)濾機(jī)制，這些過(guò)濾機(jī)制依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)。

“我們應(yīng)該能夠確定各種合成聚合物的原子級(jí)結(jié)構(gòu)，例如商業(yè)聚乙烯和聚丙烯，利用這種方法利用人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，”Balsara說(shuō)。

確定晶體結(jié)構(gòu)可以為其他應(yīng)用提供重要信息，例如藥物的開(kāi)發(fā)，例如，不同的晶體基序可以產(chǎn)生完全不同的結(jié)合特性和治療效果。