科学家们使用一种称为多肽的合成蛋白质样分子创造了薄的、纸状的结晶片。这些纳米片只有一个分子厚，分子以非常特定的方式排列。科学家在低温条件下使用电子显微镜拍摄这些纳米片的图像。直到最近，这些图像还很模糊，因为可以穿过薄片而不会造成损坏的电子数量很少。在这项研究中，研究人员使用基于机器学习的算法来处理大约 500,000 张独立图像。结果是合成软材料中单个原子的第一个清晰的真实空间图像。
影响
合成聚合物对于我们认为理所当然的许多产品至关重要。这些范围从塑料家具到现代飞机的机身。它们也是燃料电池和可充电电池等设备的核心。这些设备在新兴的清洁能源领域变得越来越重要。合成聚合物的所有重要特性都取决于它们的原子排列。科学家在聚合物材料中定位单个原子的能力将提高我们对限制合成聚合物性能的瓶颈的理解。这项研究也标志着整个纳米科学的重要一步。
概括
科学家们首次揭示了合成软材料的原子结构细节。类肽二嵌段共聚物由两个不同的类蛋白质链组成，它们结合在一起。这些材料被设计成彼此紧密贴合，以在水中形成高度有序的结晶片。通过低温透射电子显微镜 (cryo-TEM) 直接观察纳米片内的单个分子及其相对取向，揭示了传统散射技术无法访问的位置空间中的原子细节。用于快速冷冻纳米片的超低温有效地将分子锁定到位。在低温条件下对样品进行成像有助于防止高能电子破坏结构。为了进一步保护软材料免受电子束的影响，研究人员每张图像使用的电子更少。在这些条件下获得的图像使用复杂的数学工具和机器学习算法进行处理，以生成原子尺度结构的高分辨率图片。
拟肽聚合物的精密合成、低温 TEM 的原子成像和计算模型相结合，帮助科学家了解原子级聚合物结构。研究人员现在能够进行原子级编辑以设计目标分子。这为通过系统控制其化学结构将复杂功能合理地设计成软材料铺平了道路。该研究部分是在能源部的两个用户设施，分子铸造厂和先进光源中进行的。
资金
这项工作得到了能源部科学处、基础能源科学处、材料科学与工程处的资助。劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造厂和先进光源的工作得到了这些用户设施的用户项目的支持，这些项目得到了能源部科学办公室、基础能源科学办公室的支持。这里展示的显微照片是在劳伦斯伯克利国家实验室的 Donner Cryo-TEM 设施和加州大学伯克利分校的伯克利湾区 Cryo-TEM 设施中获得的。
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