加州理工学院的化学家开发出简单的技术来可视化原子级结构

加利福尼亚帕萨迪纳—加州理工学院(Caltech)的研究人员设计了一种新技术—使用仅一个原子厚的碳片—可视化分子的结构。该技术曾用于获得室温下水如何在表面上形成涂层的第一张直接图像,也可用于对可能无限数量的其他分子(包括抗体和其他生物分子)成像。

一篇描述水层方法和研究的论文发表在9月3日的期刊上 科学.

“几乎所有表面上都有水涂层,”加州理工学院Elizabeth W. Gilloon教授兼化学教授James Heath说,“而且水主导着界面特性” —影响该表面磨损的特性。尽管水的表面涂层无处不在,但它们也很难研究,因为水分子是“以恒定的流量,并穿上’坐得足够长以进行测量” he says.

希思和他的同事很偶然地开发出一种在室温条件下固定移动分子的技术。“这是一次快乐的事故—我们足够聪明地认识到它的重要性,” he says. “我们在云母的原子平面上研究石墨烯,发现石墨烯和云母之间存在一些纳米级岛状结构,’t expect to see.”

石墨烯由蜂窝状晶格中的一个原子厚的碳原子层组成(类似于鸡丝,但在原子尺度上),当石墨化层叠放在原子平面上时,应完全平坦。希思和他的同事—前加州理工学院研究生许旭,现在就读于哈佛大学,研究生曹培根—认为异常可能是水,被石墨烯捕获和捕获;毕竟,水分子无处不在。

为了验证这一想法,研究人员进行了其他实验,他们在不同的湿度水平下沉积了石墨烯片。奇数结构在较高的湿度下变得更加普遍,并在完全干燥的条件下消失,导致研究人员得出结论,它们确实是被石墨烯覆盖的水分子。希思和他的同事意识到石墨烯片是“atomically conformal” —它紧紧地抱住水分子,几乎像收缩包裹一样,以至于用原子力显微镜检查时,它们揭示了其详细的原子结构。 (原子力显微镜使用机械探针本质上“feel”对象的表面。)

“该技术非常简单— it’它确实有效,”希思说。他解释说,这种方法,“有点像人们如何将碳或金溅射到生物细胞上以使它们成像。碳或金固定细胞。在这里,石墨烯完美地模板化了表面上吸附较弱的水分子,并将其固定在原位,至少持续了几个月。”

研究人员使用该技术揭示了有关水如何在表面上形成涂层的新细节。他们发现云母上的第一层水实际上是两个水分子厚,并且具有冰的结构。一旦该层完全形成,就会形成第二个两分子厚的冰层。最重要的是,“you get droplets,” Heath says. “It’令人惊讶的是,室温下前两个吸附的水层形成了冰状的微观岛,” says Xu. “这些引人入胜的结构在确定固体的表面特性(包括例如润滑,粘附和腐蚀)中可能很重要。”

自那以后,研究人员成功地在其他类型的原子平面上测试了其他分子—这样的平坦度是必要的,所以分子不会’嵌套在表面的瑕疵中,使通过石墨烯层测量的瑕疵结构变形。“我们尚未找到一个可以做到这一点的系统’t work,”希思说。他和他的同事现在正在努力提高该技术的分辨率,以便可以将其用于成像抗体和其他蛋白质等生物分子的原子结构。“我们之前使用扫描隧道显微镜观察了石墨烯中的单个原子,” says Cao. “对于石墨烯覆盖的分子,也应达到类似的分辨率。”

“我们可以将石墨烯覆盖在生物分子上—包括至少在部分水性环境中的分子,因为您可以存在水—并可能获得其3-D结构,”希思说。甚至有可能确定复杂分子的结构,例如蛋白质— protein complexes, “很难结晶” he says.

来自一个分子的数据可能揭示总体结构,而来自10个分子的数据则可以揭示更精细的特征—从1000个相同分子计算出的数据可能揭示出每个原子角和裂缝。

希思解释说,如果您想象覆盖在分子上的石墨烯就像是一张被扔在床上的熟猫上的床单,那张床单上覆盖着一块— in one orientation — “会告诉你’是一种小动物,而不是鞋子。有了10张图片,您就可以分辨出来’是猫而不是兔子。随着更多的图像,您’ll know if it’s a fluffy cat — although you won’从来没有看到虎斑条纹。”

本文的工作,“石墨烯可视化了环境条件下云母上的第一个水分子,”由美国能源部资助’基础能源科学办公室。



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