Cool Science: onderzoekers maken kleine biologische hulpmiddelen met behulp van bevroren ethanol

Stel je voor dat je op iets zo delicaat bent als een levende cel – zonder het te beschadigen. Onderzoekers van de Universiteit van Missouri hebben deze ontdekking gedaan met behulp van een onverwachte combinatie van tools: bevroren ethanol, elektronenbalken en paars getinte microben.

Door een methode te bevorderen genaamd Ice Lithography, was het team in staat om ongelooflijk kleine, gedetailleerde patronen rechtstreeks op fragiele biologische oppervlakken te etsen.

Hoewel traditionele lithografie vaak wordt gebruikt om kleine circuits en andere elektronische onderdelen voor telefoons en computers te maken, vertrouwt het op een vloeibaar proces dat gemakkelijk delicate materialen kan schaden, waaronder koolstofnanobuizen en biologische membranen.

Dat is waar de op ijs gebaseerde aanpak van Mizzou opvalt. Door een laag bevroren ethanol te gebruiken in plaats van vloeistof, hebben ze een zachtere, preciezere manier gecreëerd om met materialen te werken die ooit als te kwetsbaar worden beschouwd om te hanteren. De studie is gepubliceerd in het dagboek Nano letters.

“In plaats van een traditioneel lithografieproces te gebruiken, dat te hard kan zijn op delicate biologische materialen, past onze techniek een dunne laag ijs toe om het oppervlak van het materiaal te beschermen terwijl het patroon wordt gemaakt,” zei Gavin King, een professor in de natuurkunde en co-auteur van de studie.

“Die bevroren laag helpt alles stabiel te houden tijdens het proces en maakt het mogelijk voor ons om te werken met delicate biologische materialen die normaal gesproken aanzienlijk zouden worden beschadigd.”

Mizzou heeft een van de slechts drie laboratoria ter wereld – en de enige in Noord -Amerika – die deze ijlithografiemethode gebruikt. Wat het werk onderscheidt, is het gebruik van ethanolijs, dat delicate biologische materialen beschermt waar normaal waterijs schade zou veroorzaken.

Om hun nieuwe methode op ethanol-ijs te testen, gebruikten onderzoekers Halobacterium salinarum, een klein micro-organisme dat een paars eiwit maakt in staat om zonlicht te vangen en er energie van te maken-Akin naar de natuurversie van een zonnepaneel. Bekend in de biologie sinds de jaren zeventig, maakt het vermogen van deze microbe om licht efficiënt in energie om te zetten, het een veelbelovende kandidaat voor het ontwikkelen van nieuwe soorten stroombronnen.

Hoewel de ontdekking van Mizzou proof of concept is, is het team enthousiast over het toekomstige potentieel ervan, inclusief de mogelijkheid om deze delicate paarse membranen te gebruiken om zonnepanelen te maken.

Hoe het werkt

Dit is hoe de methode Ice Lithography werkt.

Ten eerste plaatsen onderzoekers het biologische membraan op een koud oppervlak in een scanning -elektronenmicroscoop. De temperatuur wordt verlaagd tot extreem koude niveaus, onder -150 ° C. Wanneer ze dan ethanoldamp toevoegen, bevriest het onmiddellijk in ethanolijs en vormt een dunne, gladde laag over het membraan.

Vervolgens trekt een gerichte elektronenstraal kleine patronen in de bevroren laag. Eenmaal voltooid, wordt het oppervlak voorzichtig verwarmd. De delen van het ijs die niet door de straal werden geraakt, worden gesublimeerd, terwijl het patroon – nu een vast materiaal – wordt achtergelaten.

“De patronen die we maken zijn kleiner dan 100 nanometer breed en meer dan 1000 keer dunner dan een onderdeel van mensenhaar,” zei Dylan Chiaro, afgestudeerde student en hoofdauteur van de studie. “Het is een belangrijke stap in de richting van het werken met enkele van de meest delicate componenten van de biologie.”

Een samenwerkingsinspanning

Deze bevinding van onderzoekers van het Mizzou’s College of Arts and Science brengt de velden van biologie, chemie, natuurkunde en ruimtewetenschappen samen, en zou kunnen transformeren hoe wetenschappers werken met de kleinste bouwstenen van het leven – moleculen, eiwitten en atomen.

Suchi Guha, een professor in de natuurkunde en co-auteur van de studie, hielp bij het identificeren van de structuur van het resulterende materiaal. Met behulp van een hooggevoelig gereedschap dat onderzoekt hoe licht interageert met moleculen, genaamd oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing, ontdekte haar laboratorium dat het vaste materiaal zich op dezelfde manier gedraagt ​​als koolstofvezel.

Nadat het proces was voltooid, was het paarse membraan bijna ongewijzigd – het verliezen van minder dan één nanometer dik. Dit bewijst dat onderzoekers dit proces kunnen gebruiken om patronen rechtstreeks op fragiele biologische materialen te creëren zonder ze te beschadigen – een uitdaging die verbijsters heeft.

Bernadette Broderick, een universitair docent chemie en co-auteur van de studie, hielp bij het ontdekken van de aanwezigheid van keteen, een kortstondige chemische stof die zich vormt tijdens het elektronenstraalproces. King gelooft dat deze ontdekking door het lab van Broderick, dat gespecialiseerd is in astrochemie, kan helpen verklaren hoe het ethanolijs verandert in een stabiel, vast materiaal – een kritische stap in het begrijpen van de chemie en fysica achter de methode.

“Elk lab heeft een ander stukje van de puzzel bijgedragen,” zei King. “Dit soort interdisciplinair teamwerk is de ontdekking echt mogelijk gemaakt.”