科學(xué)家們使用一種稱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，因為可以穿過薄片而不會造成損壞的電子數(shù)量很少。在這項研究中，研究人員使用基于機器學(xué)習(xí)的算法來處理大約 500,000 張獨立圖像。結(jié)果是合成軟材料中單個原子的第一個清晰的真實空間圖像。
影響
合成聚合物對于我們認(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)代飛機的機身。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。科學(xué)家在聚合物材料中定位單個原子的能力將提高我們對限制合成聚合物性能的瓶頸的理解。這項研究也標(biāo)志著整個納米科學(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)。類肽二嵌段共聚物由兩個不同的類蛋白質(zhì)鏈組成，它們結(jié)合在一起。這些材料被設(shè)計成彼此緊密貼合，以在水中形成高度有序的結(jié)晶片。通過低溫透射電子顯微鏡 (cryo-TEM) 直接觀察納米片內(nèi)的單個分子及其相對取向，揭示了傳統(tǒng)散射技術(shù)無法訪問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 的原子成像和計算模型相結(jié)合，幫助科學(xué)家了解原子級聚合物結(jié)構(gòu)。研究人員現(xiàn)在能夠進(jìn)行原子級編輯以設(shè)計目標(biāo)分子。這為通過系統(tǒng)控制其化學(xué)結(jié)構(gòu)將復(fù)雜功能合理地設(shè)計成軟材料鋪平了道路。該研究部分是在能源部的兩個用戶設(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。勞倫斯伯克利國家實驗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)施的用戶項目的支持，這些項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家實驗室的 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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