دانشمندان روی ساختار اتمی پروتئین های مصنوعی تمرکز می نمایند - ناق

به گزارش گروه دانشگاه خبرنگاران، دانشمندان با استفاده از یک مولکول مصنوعی و پروتئین مانند به نام پلی پپتوئید، ورقه های بلوری نازک و کاغذ مانندی ایجاد کردند. این نانوصفحات تنها یک مولکول ضخامت دارند و مولکول ها در آن به روش های بسیار خاصی چیده شده اند. دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی در شرایط برودتی از این نانوصفحات عکس گرفته اند.

تا همین اواخر این تصاویر به علت تعداد اندک الکترون که می توانند بدون ایجاد آسیب از ورقه ها عبور نمایند تار بودند. در این مطالعه محققان از الگوریتم های مبتنی بر یادگیری ماشین برای پردازش حدود 500000 تصویر مستقل استفاده کردند. نتیجه، اولین تصویر واضح و در فضای واقعی از اتم های منفرد در یک ماده نرم مصنوعی است.

پلیمر های مصنوعی برای بسیاری از محصولاتی که ما آن ها را بدیهی می دانیم ضروری هستند. این مواد در طیف وسیعی از محصولات از مبلمان پلاستیکی گرفته تا بدنه هواپیما های مدرن استفاده می شوند. آن ها بعلاوه در قلب دستگاه هایی مانند سلول های سوختی و باتری های قابل شارژ قرار دارند. این دستگاه ها به طور فزاینده ای در حوزه انرژی در حال استفاده هستند.

تمام خواص مهم پلیمر های مصنوعی به آرایش اتم های آن ها بستگی دارد. توانایی دانشمندان برای قرار دادن اتم های منفرد در مواد پلیمری، درک ما را از تنگنا هایی که عملکرد پلیمر های مصنوعی را محدود می نمایند، بهبود می بخشد. این تحقیق بعلاوه گام مهمی را در علم نانو ایجاد می نماید.

برای اولین بار، دانشمندان جزئیات ساختاری اتمی یک ماده نرم مصنوعی را آشکار کردند. کوپلیمر های دوبلوک پپتوئیدی از دو زنجیره پروتئین مانند مختلف تشکیل شده اند که به یکدیگر متصل شده اند. این مواد به گونه ای طراحی شده اند که صفحات بلوری بسیار سازمان یافته ای را در آب تشکیل دهند.

تک تک مولکول ها و جهت گیری های نسبی آن ها در نانوصفحات به طور مستقیم با میکروسکوپ الکترونی عبوری برودتی (cryo-TEM) مشاهده شد، که جزئیات اتمی را به گونه ای نشان می دهد که با روش های دیگر قابل تشخیص نیست. دمای فوق العاده سردی که برای انجماد نانوصفحات استفاده شد، مولکول ها را در جای خود قفل کرد.

تصویربرداری از نمونه در شرایط برودتی به جلوگیری از تخریب ساختار الکترون های پرانرژی یاری کرد. برای محافظت بیشتر از مواد نرم در برابر پرتو الکترونی، محققان از الکترون های کمتری در هر تصویر استفاده کردند. تصاویر به دست آمده در این شرایط با استفاده از ابزار های ریاضی پیچیده و الگوریتم های یادگیری ماشین برای فراوری تصاویر با وضوح بالا از ساختار مقیاس اتمی پردازش شدند.

سنتز دقیق ترکیبی پلیمر های پپتوئید، تصویربرداری اتمی از cryo-TEM و مدل سازی محاسباتی به دانشمندان یاری کرد تا ساختار های پلیمری را در سطح اتمی درک نمایند. اکنون محققان می توانند ویرایش هایی در سطح اتمی برای طراحی مولکول های هدفمند انجام دهند. این امر راه را برای مهندسی منطقی توابع پیچیده به مواد نرم به وسیله کنترل سیستماتیک ساختار شیمیایی آن ها هموار می نماید.