با ابزارهای بسیار تخصصی، ما می‌توانیم مواد را در مقیاس نانو ببینیم، اما نمی‌توانیم کارهای بسیاری از آنها را ببینیم. این توانایی محققان را برای توسعه درمان های جدید و فناوری های جدید که از خواص غیرمعمول آنها استفاده می کند، محدود می کند.
اکنون، روش جدیدی که توسط محققان دانشگاه نورث وسترن ابداع شده است، از شبیه‌سازی مونت کارلو برای گسترش قابلیت‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری و پاسخ به سؤالات اساسی در علم پلیمر استفاده می‌کند.
Nathan C. Gianneschi از Northwestern که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «این یک نیاز برآورده نشده در علم شیمی و مواد بوده است. ما اکنون می‌توانیم به نانومواد در حلال‌های آلی نگاه کنیم و این سیستم‌های پویا را تماشا کنیم که خودشان جمع‌آوری می‌شوند، تبدیل می‌شوند و به محرک‌ها پاسخ می‌دهند. یافته‌های ما راهنمای ارزشمندی برای محققان میکروسکوپی فراهم می‌کند.»
این تحقیق به صورت آنلاین در مجله Cell Reports Physical Science منتشر شد.
Gianneschi استاد شیمی Jacob and Rosaline Cohn در کالج هنر و علوم Weinberg Northwestern و معاون مدیر موسسه بین‌المللی نانوتکنولوژی است. جوانا کورپانتی، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه جیانسکی، اولین نویسنده مقاله است.
محدودیت های تصویربرداری
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) به محققان این امکان را می دهد که مواد را در مقیاس نانو ببینند که کوچکتر از طول موج نور مرئی است. میکروسکوپ باریکه ای از الکترون ها را به سمت نمونه ای پرتاب می کند که در خلاء نگه داشته می شود. با مطالعه نحوه پراکندگی الکترون ها از روی نمونه، می توان تصویری ایجاد کرد.
اگرچه این تکنیک تصویربرداری اساسی محدودیت هایی دارد. خشک کردن نمونه برای استفاده در خلاء TEM ظاهر آن را مخدوش می کند و نمی توان از آن برای نمونه هایی که در محلول مایع یا حلال آلی وجود دارند استفاده کرد. Cryogenic-TEM به محققان اجازه می‌دهد نمونه‌هایی را که در محلول منجمد شده‌اند بررسی کنند، اما به محققان اجازه نمی‌دهد نمونه‌ها را به گرما، مواد شیمیایی و سایر محرک‌ها تماشا کنند.
این یک مشکل بزرگ برای مطالعه نانومواد نرم حساس به تشعشع است که برای کاربردهایی مانند سیستم‌های دارورسانی «هوشمند»، کاتالیزور و لایه‌های فوق نازک بسیار امیدوارکننده هستند. به منظور استفاده از پتانسیل خود، دانشمندان باید ببینند که این نانومواد در شرایط مختلف چگونه رفتار می‌کنند – اما TEM و Cryo-TEM معمولی فقط می‌توانند اثرات خشک شده یا یخ زده را نشان دهند.
TEM سلول مایع (LCTEM) تلاشی برای حل آن است. Northwestern محل پیشرفت های متعددی در این زمینه به سرعت در حال توسعه میکروسکوپ بوده است که مواد نانومقیاس حل شده را در یک سلول مایع بسته قرار می دهد که از خلاء میکروسکوپ محافظت می کند. سلول مایع در یک تراشه سیلیکونی با الکترودهای کوچک اما قدرتمند محصور شده است که می توانند به عنوان عناصر گرم کننده برای القای واکنش های حرارتی عمل کنند، و تراشه دارای یک پنجره کوچک – به اندازه 200 در 50 نانومتر – است که به پرتو الکترونی اجازه می دهد از مایع عبور کند. سلول و تصویر را ایجاد کنید.
با این حال، برخورد با پرتوی از الکترون ها اثری از خود بر جای می گذارد. در این مورد، استفاده از الکترون‌های بیشتر منجر به تصویر واضح‌تری می‌شود – زیرا تعداد بیشتری از الکترون‌ها برای پراکندگی وجود دارد – اما همچنین منجر به یک نمونه آسیب‌دیده، به‌ویژه در مورد نانومواد نرم حساس به تابش می‌شود. معلق کردن نمونه در یک حلال آلی می تواند از آن در برابر آسیب محافظت کند، اما اطلاعات کمی در مورد نحوه تعامل پرتوهای الکترونی با حلال های مختلف وجود دارد.
اینجاست که مونت کارلو وارد می شود.
“هیچ تصویربرداری دیگری وجود ندارد که این سطح از درک را به ما بدهد”
شبیه سازی مونت کارلو برای پیش بینی نتایج رویدادهای بسیار نامطمئن استفاده می شود. این تکنیک که به خاطر کازینو مدیترانه و مقصد مسابقه فرمول یک نامگذاری شده است، در واقع در دهه 1940 در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس اختراع شد، جایی که دانشمندانی که روی سلاح‌های هسته‌ای کار می‌کردند منابع محدود اورانیوم و آستانه بسیار پایینی برای آزمون و خطا داشتند.
از آن زمان، شبیه‌سازی‌های مونت کارلو به یکی از اجزای اصلی ارزیابی ریسک مالی، مدیریت زنجیره تامین و حتی عملیات جستجو و نجات تبدیل شده‌اند. به طور معمول، شبیه‌سازی‌های مونت کارلو از هزاران یا حتی ده‌ها هزار نمونه تصادفی برای محاسبه متغیرهای ناشناخته و مدل‌سازی احتمال طیفی از نتایج استفاده می‌کنند.
تیم جیانشی از نرم‌افزاری برای مدل‌سازی میکروسکوپ الکترونی عبوری سلول مایع استفاده کرد و سپس شبیه‌سازی مونت کارلو را برای تمرکز بر مسیر الکترون‌ها از طریق سه حلال – متانول، آب، و دی‌متیل فرمامید (DMF) – و ارزیابی برهم‌کنش‌های بین الکترون‌ها و حلال‌ها اقتباس کرد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که آب از نظر رادیویی حساس‌ترین سه حلال است – به این معنی که به الکترون‌ها واکنش نشان می‌دهد و نمونه را تغییر می‌دهد یا حتی به نمونه آسیب می‌رساند – در حالی که متانول پایدارترین است، احتمالاً کمترین الکترون‌ها را پراکنده می‌کند و یک تصویر واضح تر
این یافته‌های مدل‌سازی‌شده سپس با استفاده از LCTEM واقعی تأیید شدند، جایی که محققان می‌توانند نانومواد نرم را هنگام تبدیل شدن به کرم‌ها، میسل‌ها و سایر اشکالی که توسط شرایط حلال دیکته می‌شوند مشاهده کنند و یادداشت‌های دقیقی در مورد رفتار و خواص آنها بگیرند.
اما مهمتر از یادگیری این سه حلال، ایجاد روشی برای آزمایش مناسب بودن هر حلال است.
کورپانتی گفت: «ما می‌توانیم از این روش مونت کارلوی سازگار برای مدل‌سازی رادیولیز هر حلال آلی استفاده کنیم. سپس می‌توانید اثر حلال را برای هر آزمایشی که می‌خواهید انجام دهید، درک کنید. این یک افزایش عظیم در دامنه آنچه شما می توانید با این شکل از میکروسکوپ مطالعه کنید است.
Gianneschi گفت: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که LCTEM یک روش فوق‌العاده برای مطالعه نانومواد نرم و حل‌شده است. هیچ روش تصویربرداری دیگری وجود ندارد که به ما این سطح از درک را از آنچه اتفاق می‌افتد، نحوه رفتار این نانومواد متفاوت از همتایان عمده خود، و آنچه که ما می‌توانیم انجام دهیم تا آنها را برای دسترسی به خواص مواد جدید و هنوز کشف نشده مزاحم کنیم، به ما بدهد.
جیانسی همچنین استاد مهندسی زیست پزشکی و علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی مک کورمیک و عضو مؤسسه شیمی فرآیندهای حیات، مؤسسه سیمپسون کوئری و مرکز جامع سرطان رابرت اچ. لوری از دانشگاه نورث وسترن است.
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه نورث وسترن منتشر شد