科學(xué)家們使用一種稱(chēng)為多肽的合成蛋白質(zhì)樣分子創(chuàng)造了薄的、紙狀的結(jié)晶片。這些納米片只有一個(gè)分子厚，分子以非常特定的方式排列?？茖W(xué)家在低溫條件下使用電子顯微鏡拍攝這些納米片的圖像。直到最近，這些圖像還很模糊，因?yàn)榭梢源┻^(guò)薄片而不會(huì)造成損壞的電子數(shù)量很少。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法來(lái)處理大約 500,000 張獨(dú)立圖像。結(jié)果是合成軟材料中單個(gè)原子的第一個(gè)清晰的真實(shí)空間圖像。
影響
合成聚合物對(duì)于我們認(rèn)為理所當(dāng)然的許多產(chǎn)品至關(guān)重要。這些范圍從塑料家具到現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身。它們也是燃料電池和可充電電池等設(shè)備的核心。這些設(shè)備在新興的清潔能源領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。合成聚合物的所有重要特性都取決于它們的原子排列?？茖W(xué)家在聚合物材料中定位單個(gè)原子的能力將提高我們對(duì)限制合成聚合物性能的瓶頸的理解。這項(xiàng)研究也標(biāo)志著整個(gè)納米科學(xué)的重要一步。
概括
科學(xué)家們首次揭示了合成軟材料的原子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。類(lèi)肽二嵌段共聚物由兩個(gè)不同的類(lèi)蛋白質(zhì)鏈組成，它們結(jié)合在一起。這些材料被設(shè)計(jì)成彼此緊密貼合，以在水中形成高度有序的結(jié)晶片。通過(guò)低溫透射電子顯微鏡 (cryo-TEM) 直接觀察納米片內(nèi)的單個(gè)分子及其相對(duì)取向，揭示了傳統(tǒng)散射技術(shù)無(wú)法訪問(wèn)的位置空間中的原子細(xì)節(jié)。用于快速冷凍納米片的超低溫有效地將分子鎖定到位。在低溫條件下對(duì)樣品進(jìn)行成像有助于防止高能電子破壞結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步保護(hù)軟材料免受電子束的影響，研究人員每張圖像使用的電子更少。在這些條件下獲得的圖像使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具和機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行處理，以生成原子尺度結(jié)構(gòu)的高分辨率圖片。
擬肽聚合物的精密合成、低溫 TEM 的原子成像和計(jì)算模型相結(jié)合，幫助科學(xué)家了解原子級(jí)聚合物結(jié)構(gòu)。研究人員現(xiàn)在能夠進(jìn)行原子級(jí)編輯以設(shè)計(jì)目標(biāo)分子。這為通過(guò)系統(tǒng)控制其化學(xué)結(jié)構(gòu)將復(fù)雜功能合理地設(shè)計(jì)成軟材料鋪平了道路。該研究部分是在能源部的兩個(gè)用戶設(shè)施，分子鑄造廠和先進(jìn)光源中進(jìn)行的。
資金
這項(xiàng)工作得到了能源部科學(xué)處、基礎(chǔ)能源科學(xué)處、材料科學(xué)與工程處的資助。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造廠和先進(jìn)光源的工作得到了這些用戶設(shè)施的用戶項(xiàng)目的支持，這些項(xiàng)目得到了能源部科學(xué)辦公室、基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持。這里展示的顯微照片是在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Donner Cryo-TEM 設(shè)施和加州大學(xué)伯克利分校的伯克利灣區(qū) Cryo-TEM 設(shè)施中獲得的。
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