Nauka dla Społeczeństwa

07.10.2022
PL EN
13.08.2022 aktualizacja 16.08.2022

Drżące ciało - Polacy pokazują, jak tworzyć mapy 3D ułożenia molekuł w materiale

Fot: dzięki pomysłowi Polaków można przygotować mapy 3D niemal dowolnego materiału uwzględniające ułozenie pojedynczych cząsteczek w przestrzeni. Źródło: materiały autorów (centrum SOLARIS) Fot: dzięki pomysłowi Polaków można przygotować mapy 3D niemal dowolnego materiału uwzględniające ułozenie pojedynczych cząsteczek w przestrzeni. Źródło: materiały autorów (centrum SOLARIS)

Polski zespół pokazał, jak mierząc drgania cząsteczek, można wyznaczać ich ułożenie w przestrzeni i przygotować niespotykanej dotąd dokładności mapę 3D niemal każdego dowolnego materiału. Może się to przydać w pracach nad nowymi materiałami, urządzeniami elektronicznymi, a nawet w terapii nowotworów.

Przełomowe badania pozwalające na stworzenie trójwymiarowych map orientacji wiązań w próbce zostały opublikowane przez zespół badawczy przy linii CIRI z krakowskiego SOLARIS w prestiżowym czasopiśmie JACS.

"Struktura materiału, a więc orientacja jego cząsteczek w przestrzeni, wpływa choćby na właściwości mechaniczne (rozciąganie, pękanie), chemiczne, fizykochemię powierzchni, przewodnictwo czy dyfuzję (np. leku przez tkankę)" - tłumaczy kierownik badań dr hab. Tomasz Wróbel z SOLARIS.

Jego zespół pokazał, jak ułożenie poszczególnych molekuł w materiale można wyliczyć na podstawie ich drgań. Jeśli wiemy bowiem, jaka cząsteczka drga i mamy wiedzę o tym, wzdłuż której drga ona osi, to możemy z tego wywnioskować, jak jest ona ułożona w przestrzeni.

Fot: Schemat działania technologii, która umożliwia tworzenie map 3D materiału. Źródło: Paulina Kozioł et al., JACS 2022
Fot: Schemat działania technologii, która umożliwia tworzenie map 3D materiału. Źródło: Paulina Kozioł et al., JACS 2022

Drganie cząsteczek można obserwować wykorzystując znane już od dawna metody mikroskopii oscylacyjnej. Dopiero jednak zespół Polaków pokazał, jak za pomocą niestandardowych obliczeń matematycznych te informacje o drganiach można przełożyć na dane o ich orientacji. A dzięki tej wiedzy tworzyć mapy ułożenia cząsteczek w 3D dla prawie każdego materiału.

Kto może z tego skorzystać? Dr hab. Tomasz Wróbel tłumaczy w rozmowie z portalem PAP - Nauka w Polsce, że w niektórych obszarach nanotechnologii - np. w diodach OLED czy ogniwach słonecznych - cząsteczki muszą być odpowiednio ułożone w przestrzeni, aby urządzenie optymalnie działało. Każde uchybienie - miejsce, w którym cząsteczki ustawione są w niekontrolowany sposób, sprawi, że urządzenie będzie działać gorzej.

Jeśli chodzi o nowe materiały, to można sobie wyobrazić materiał, w którym cząsteczki ułożone w poprzek blokować będą przepływ ciepła czy prądu elektrycznego z jednego końca próbki na drugi, a te same molekuły ułożone wzdłuż tej osi - zwiększyłyby jego przewodnictwo w danym kierunku.

Są też hipotezy, że poznanie orientacji komórek w przestrzeni może pomóc w doborze skuteczniejszej terapii nowotworów i ocenie rokowań pacjenta. Jeśli bowiem nowotwór ciasno opleciony jest siecią włókien, prawdopodobnie inaczej trzeba z nim walczyć, niż gdy włókna wokół niego nie mają takiej szczelnej struktury.

Do tej pory możliwe były badania orientacji wiązań w badanym materiale, ale tylko do pewnego stopnia, np. na dużych obszarach, w cienkich warstwach materiałów czy przy użyciu tomografii.

Dzięki najnowszemu odkryciu możliwe jest uzyskanie wysokorozdzielczego obrazu 3D bez niszczenia badanego materiału oraz bez użycia dodatkowych barwników czy znakowania. A to świetna wiadomość: jest nadzieja, że metodę tę będzie można wykorzystać do badania dowolnych próbek, również pochodzących z organizmów. A także do kontroli jakości materiałów, które przechodzić będą kolejne badania lub trafią do użytku.

W badaniach naukowcy wykorzystali spektroskopię w podczerwieni (IR), która pozwala na uzyskanie bogatych informacji na temat badanej próbki bez niszczenia jej czy wykorzystywania barwienia próbki. Technika ta od lat z powodzeniem stosowana jest w wielu dziedzinach nauki, a kluczowa jest w dziedzinach badań nad nowymi materiałami.

Fot: dzięki pomysłowi Polaków można przygotować mapy 3D niemal dowolnego materiału uwzględniające ułozenie pojedynczych cząsteczek w przestrzeni. Źródło: materiały autorów (centrum SOLARIS)
Fot: dzięki pomysłowi Polaków można przygotować mapy 3D niemal dowolnego materiału uwzględniające ułożenie pojedynczych cząsteczek w przestrzeni. Źródło: materiały autorów (centrum SOLARIS)

Naukowcy po raz pierwszy zastosowali do analizy danych z IR tzw. Analizę równoczesną (4P-3D). Dzięki temu uzyskali informację o kątach orientacji makromolekuł w próbce sferulitu polikaprolaktonu. Okazało się to możliwe dzięki jednoczesnej analizie dwóch pasm o mniej więcej prostopadłych orientacjach momentu przejścia mierzonych przy 4 różnych polaryzacjach liniowych.

„Ponadto pokazujemy, że metoda ta może być zastosowana do wysokorozdzielczego (ograniczonego limitem dyfrakcji) obrazowania FT-IR i ramanowskiego, a nawet do superrozdzielczego obrazowania O-PTIR” – podkreśla Paulina Kozioł (CIRI, SOLARIS) pierwszy autor publikacji.

Dr Wróbel zaprasza do współpracy naukowców, którzy chcieliby zbadać próbki swoich materiałów tą nowatorską metodą.

Badania były finansowane z grantu NCN Sonata.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2022