Monte Carlo-simulaties brengen nieuwe focus op elektronenmicroscopie

Met zeer gespecialiseerde instrumenten kunnen we materialen op nanoschaal zien, maar we kunnen niet zien wat veel van hen doen. Dat beperkt het vermogen van onderzoekers om nieuwe therapieën en nieuwe technologieën te ontwikkelen die profiteren van hun ongebruikelijke eigenschappen.

Nu maakt een nieuwe methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Northwestern University, gebruik van Monte Carlo-simulaties om de mogelijkheden van transmissie-elektronenmicroscopie uit te breiden en fundamentele vragen in de polymeerwetenschap te beantwoorden.

“Dit was een onvervulde behoefte in de chemie en materiaalkunde”, zegt Nathan C. Gianneschi van Northwestern, die het onderzoek leidde. “We kunnen nu kijken naar nanomaterialen in organische oplosmiddelen en kijken hoe deze dynamische systemen zichzelf assembleren, transformeren en reageren op stimuli. Onze bevindingen zullen een waardevolle gids zijn voor onderzoekers in microscopie.”

Het onderzoek is vandaag (17 februari) online gepubliceerd in het tijdschrift Celrapporten Fysische Wetenschap.

Gianneschi is de Jacob en Rosaline Cohn hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en associate director van het International Institute for Nanotechnology. Joanna Korpanty, een afgestudeerde studente in het laboratorium van Gianneschi, is de eerste auteur van het artikel.

Beperkingen op beeldvorming

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) stelt onderzoekers in staat om materialen te zien op nanoschaal, die kleiner is dan de golflengte van zichtbaar licht. De microscoop vuurt een elektronenbundel af op een monster, dat in een vacuüm wordt gehouden; door te bestuderen hoe de elektronen van het monster verstrooien, kan een afbeelding worden ontwikkeld.

Deze fundamentele beeldvormingstechniek heeft echter beperkingen. Het uitdrogen van een monster voor gebruik in het vacuüm van TEM zal het uiterlijk vervormen en kan niet worden gebruikt voor monsters die zich in een vloeibare oplossing of organisch oplosmiddel bevinden. Cryogenic-TEM stelt onderzoekers in staat om specimens te onderzoeken die in een oplossing zijn ingevroren, maar het staat onderzoekers niet toe om te zien hoe de specimens reageren op hitte, chemicaliën en andere stimuli.

Dat is een groot probleem voor de studie van stralingsgevoelige zachte nanomaterialen, die enorm veelbelovend zijn voor toepassingen zoals ‘slimme’ medicijnafgiftesystemen, katalyse en ultradunne films. Om hun potentieel te benutten, moeten wetenschappers zien hoe deze nanomaterialen zich onder verschillende omstandigheden gedragen, maar conventionele TEM en cryo-TEM kunnen alleen de uitgedroogde of bevroren nawerkingen vertonen.

Liquid-cell TEM (LCTEM) is een poging om dat op te lossen. Northwestern is de plaats geweest van verschillende vorderingen op dit zich snel ontwikkelende gebied van microscopie, dat gesolvateerde nanoschaalmaterialen in een gesloten vloeistofcel plaatst die ze beschermt tegen het vacuüm van de microscoop. De vloeibare cel is ingesloten in een siliciumchip met kleine maar krachtige elektroden die kunnen dienen als verwarmingselementen om thermische reacties te induceren, en de chip heeft een klein venster – 200 x 50 nanometer groot – waardoor een elektronenstraal door de vloeistof kan gaan cel en maak de afbeelding.

Als u echter wordt geraakt door een elektronenstraal, laat dit een teken achter. In dit geval zou het gebruik van meer elektronen leiden tot een duidelijker beeld – omdat er meer van zouden zijn om te verstrooien – maar het zou ook leiden tot een beschadigd exemplaar, vooral in het geval van stralingsgevoelige zachte nanomaterialen. Het ophangen van het monster in een organisch oplosmiddel zou het kunnen beschermen tegen beschadiging, maar er is weinig bekend over de interactie van elektronenstralen met verschillende oplosmiddelen.

Dat is waar Monte Carlo om de hoek komt kijken.

“Er is geen andere beeldvorming die ons dit niveau van begrip geeft”

Monte Carlo-simulaties worden gebruikt om de uitkomsten van zeer onzekere gebeurtenissen te voorspellen. De techniek, genoemd naar het mediterrane casino en de Formule 1-racebestemming, werd in de jaren veertig uitgevonden in het Los Alamos National Laboratory, waar wetenschappers die aan kernwapens werkten een beperkte voorraad uranium hadden en een extreem lage drempel voor vallen en opstaan.

Sindsdien zijn Monte Carlo-simulaties een hoofdbestanddeel geworden van financiële risicobeoordeling, supply chain management en zelfs zoek- en reddingsoperaties. Meestal gebruiken Monte Carlo-simulaties duizenden of zelfs tienduizenden willekeurige steekproeven om rekening te houden met onbekende variabelen en om de waarschijnlijkheid van een reeks resultaten te modelleren.

Het team van Gianneschi gebruikte software om een ​​vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscoop te modelleren en paste vervolgens de Monte Carlo-simulatie aan om zich te concentreren op de banen van de elektronen door drie oplosmiddelen – methanol, water en dimethylformamide (DMF) – en om interacties tussen elektronen en oplosmiddelen te beoordelen. De simulaties suggereerden dat water de meest radiolytisch gevoelige van de drie oplosmiddelen zou zijn – wat betekent dat het op de elektronen zal reageren en het monster zal veranderen of zelfs beschadigen – terwijl methanol het meest stabiel zou zijn, waarschijnlijk de minste elektronen zou verstrooien en een helderder afbeelding.

Deze gemodelleerde bevindingen werden vervolgens geverifieerd met behulp van echte LCTEM, waar de onderzoekers de zachte nanomaterialen konden observeren terwijl ze transformeerden in wormen, micellen en andere vormen die werden bepaald door oplosmiddelomstandigheden – en gedetailleerde aantekeningen konden maken over hun gedrag en eigenschappen.

Maar belangrijker dan het leren over deze drie oplosmiddelen is het ontwikkelen van een methode om de geschiktheid van elk oplosmiddel te testen.

“We kunnen deze aangepaste Monte Carlo-methode gebruiken om de radiolyse van elk organisch oplosmiddel te modelleren,” zei Korpanty. “Dan zou je het oplosmiddeleffect kunnen begrijpen voor elk experiment dat je wilde doen. Het is een enorme toename van de reikwijdte van wat je met deze vorm van microscopie kunt bestuderen.”

“Onze bevindingen tonen aan dat LCTEM een fantastische manier is om zachte, gesolvateerde nanomaterialen te bestuderen,” zei Gianneschi. “Er is geen andere beeldvormingsmethode die ons dit niveau van begrip geeft van wat er gebeurt, hoe deze nanomaterialen zich anders gedragen dan hun bulktegenhangers, en wat we kunnen doen om ze te storen om toegang te krijgen tot nieuwe, nog onontdekte materiaaleigenschappen.”

De studie, “Organic Solution Phase Transmission Electron Microscopy of Copolymer Nanoassembly Morphology and Dynamics”, is gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschap.