科學家開發了一種新的顯微鏡方法，能夠在納米級水平上看到正形成的「智能」材料的基本組成部分。化學過程將改變清潔水和藥品的未來，人們將首次能夠觀看這個實際的過程。
這種方法使能夠實時地以納米級可視化此類聚合反應，這是前所未有的。研究人員表示， 「我們現在有能力看到反應的發生，看到這些納米結構的形成，並學習如何利用它們可以做的不可思議的事情。」這項研究（12月22日）發表在今天《物質》雜誌上。
分散聚合是通常用於工業規模生產藥物、化妝品、乳膠和其它物品的常見科學過程。在納米級，聚合可用於製造具有獨特和有價值特性的納米粒子。
這些納米材料對環境具有廣闊的前景，可用於吸收溢油或其他汙染物而不會損害海洋生物。在醫學中，作為「智能」藥物輸送系統的基礎，可以將其設計為進入人類細胞並在特定條件下釋放治療性分子。
在擴大這些材料的生產方面存在困難。最初，生產受到創建和激活它們所需的耗時過程的阻礙。一種稱為聚合誘導自組裝（polymerization-inducedself-assembly，縮寫PISA）的技術結合了步驟並節省了時間，但是事實證明，在此過程中分子的行為很難預測，原因很簡單：科學家無法觀察到實際發生的事情。
納米級的反應太小，無法用肉眼看到。傳統的成像方法只能捕獲聚合的最終結果，而不能捕獲聚合發生的過程。科學家們試圖通過在過程中的各個點取樣並進行分析來解決此問題，但是僅使用快照並不能完整地說明整個過程中發生的化學和物理變化。
研究人員說：「這就像將足球比賽的幾張照片與整個比賽視頻中包含的信息進行比較一樣。」 「如果您了解化學物質形成的途徑，可以看到它是如何發生的，那麼您可以學習如何加快化學反應的速度，並且可以弄清楚如何擾亂該過程，從而獲得不同的效果。」
透射電子顯微鏡（TEM）能夠以亞納米解析度拍攝圖像，但通常用於冷凍樣品，並且也無法處理化學反應。使用透射電子顯微鏡，電子束會通過真空射向對象；通過研究從另一面出來的電子，可以顯影圖像。但是，圖像的質量取決於電子束髮射的電子數量，發射過多的電子會影響化學反應的結果。換句話說，這是觀察者效應的一種情況，觀察自組裝可能會改變甚至損壞自組裝。最終的結果與您不看的情況會有所不同。
為了解決這個問題，研究人員將納米級聚合物材料插入到密閉的液體槽中，以保護材料免受電子顯微鏡內部真空的影響。這些材料被設計為對溫度變化敏感，因此，自組裝將在液體池內部達到設定溫度時開始。
液體電池被封裝在矽晶片中，矽晶片具有小但功能強大的電極，可作為加熱元件。嵌入在晶片中的是一個很小的窗口（尺寸為200x50納米），該窗口將允許低能量束穿過液體池。
將晶片插入電子顯微鏡的支架後，液體池內部的溫度升高到60°C，從而開始自組裝。通過微小的窗口，可以記錄嵌段共聚物的行為和形成過程。
當過程完成時，研究人員測試了所得的納米材料，發現它們與在液室外生產的可比納米材料相同。這證實了該技術，他們稱為可變溫度液體-細胞透射電子顯微鏡（variable-temperature liquid-cellTEM），可用於了解在普通條件下發生的納米級聚合過程。
特別感興趣的是聚合過程中產生的形狀。在不同階段，納米粒子可能類似於球形、蠕蟲或水母，每種都賦予納米材料不同的特性。通過了解自組裝過程中發生的事情，研究人員可以開始開發誘導特定形狀並調整其效果的方法。
研究人員說：「這些複雜且定義明確的納米粒子會隨著時間的流逝而形成，並隨著它們的生長而變形。」 「令人難以置信的是，我們能夠實時看到這些轉換的方式和時間。」從該技術中獲得的認知，將為自組織軟物質材料以及化學以外的科學學科的開發和表徵，帶來前所未有的可能性。
「我們認為這也可以成為對結構生物學和材料科學有用的工具。」 「通過將其與機器學習算法集成在一起以分析圖像，並繼續完善和提高解析度，我們將擁有一種技術，該技術可以增進我們對納米級聚合的理解，並指導可以潛在轉化的納米材料設計藥物和環境。」
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