Движение фуллеренов в нанотрубке сняли со скоростью 1600 кадров в секунду
Физики из США и Японии смогли заснять колебания димерных фуллеренов в углеродных нанотрубках с разрешением в 0,1 ангстрема, используя электронный микроскоп и скоростную камеру. При этом ученым удалось довести количество кадров в секунду до 1600 — в 100 раз больше предыдущего рекорда. Исследование поможет лучше понять механику работы молекулярных машин. Статья опубликована в журнале Bulletin of the Chemical Society of Japan.
Молекулярные машины представляют собой небольшие молекулы, которые могут двигаться вдоль определенных направлений или совершать полезную работу. За их создание Нобелевский комитет в 2016 году присудил премию по химии. В перспективе такие устройства могут использоваться для адресной доставки лекарств и создания молекулярной электроники. Одним из перспективных материалов для создания молекулярных машин считаются углеродные нанотрубки, на основе которых можно создавать нанодвигатели и молекулярные переключатели.
В некоторых машинах такого рода внутрь нанотрубок помещаются различные молекулы. Однако при взаимодействии со стенками нанотрубки, молекулы начинают двигаться стохастически. При этом их перемещения оказывается невозможно описать, используя существующие результаты наблюдений. До сих пор ученым удалось заснять процессы, происходящие внутри нанотрубок лишь на скорости в 12 кадров в секунду с разрешением в два нанометра.
Исследователи из США и Японии под руководством профессора Эйити Накамура (Eiichi Nakamura) из Токийского университета впервые смогли заснять поведение молекул фуллерена внутри углеродной нанотрубки на скорости в 1600 кадров в секунду. Для этого они использовали аберрационно-скорректированный электронный микроскоп, камеру прямого обнаружения электронов и метод устранения шума на основе полной вариации, который сегодня также используется для улучшения качества интернет-видео. С помощью этих инструментов авторы показали, как перемещаются вдоль нанотрубки и вращаются вокруг своей оси димеры фуллеренов C60.
Исследователи наблюдали примерно 400 нанотрубок с молекулами фуллеренов в течение 10 минут. Они обнаружили несколько десятков перемещений димеров из одного конца структуры в другой. Также ученые впервые увидели, что колебания нанотрубки влияют на вращения и перемещения фуллеренов внутри нее. Оказалось, что кинетическая энергия, которую фуллерены получают от трубки, заставляет их вращаться вокруг своей оси. Кроме того, этой энергии оказывается достаточно, чтобы разорвать слабые Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между димерами C60 и заставить их перемещаться внутри наноструктуры. Перемещения фуллеренов внутри нанотрубки также приводит к ее существенной деформации — примерно на 19 процентов.
Результаты исследования позволяют лучше понять принцип работы молекулярных машин на основе нанотрубок. В будущем ученые планируют увеличить временное и пространственное разрешение съемки и более подробно описать процессы, происходящие в наносистемах подобного рода.
Скоростная камера позволяет зафиксировать движение не только наноструктур, но и электромагнитных волн. В 2018 году исследователи смогли заснять распространение фемтосекундного лазерного импульса через стеклянную пластину со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.
Он хорошо активировал остеогенные клетки
Норвежские ученые разработали прототип костного трансплантата из аморфного фосфата кальция, который они получили из гидроксиапатита и яичной скорлупы. Он показал крайне хорошую иммуносовместимость и активацию остеогенных клеток в тканевых моделях. Исследование опубликовано в журнале Smart Materials in Medicine. В качестве трансплантата для замещения дефектов кости можно использовать кусок другой кости того же человека (аутологичный трансплантат), другого человека (аллогенный трансплантат), животного (ксеногенный трансплантат) или синтетические материалы. Несмотря на то, что аутогенные и аллогенные костные трансплантаты — золотой стандарт в таких операциях — содержат белки и клетки, которые способны формировать новую костную ткань, ограниченное количество доноров и риск переноса инфекции, равно как и техническая сложность аутогенной трансплантации, ограничивает применение этих методов. Изготовление ксеногенных полусинтетических трансплантатов сопряжено с высокими затратами на изготовление и с большими объемами медицинских отходов. Хаавард Йостейн Хауген (Håvard Jostein Haugen) из Университета Осло вместе с коллегами придумал концепцию синтетического костного трансплантата, который должен решить все эти проблемы. Они разработали метод изготовления аморфного фосфата кальция — основы искусственного синтетического костного трансплантата — с помощью синтетического гидроксиапатита и яичной скорлупы. Для этого яичную скорлупу сначала нагревали до 900 градусов Цельсия в течение часа, чтобы избавиться от органического компонента и превратить карбонат кальция (CaCO3) в оксид кальция (CaO). Полученные 5,55 грамма оксида кальция добавляли к 600 миллилитрам деионизированной воды и перемешивали со скоростью 200 оборотов в минуту. Затем к полученной суспензии добавляли 12,47 миллилитра раствора H3PO4, снова перемешивали с большей скоростью и вливали 91,5 миллилитра гидроксида натрия. Выпавший белый осадок фильтровали и промывали, а затем в пластиковых контейнерах погружали в жидкий азот. Физико-химические свойства полученного аморфного фосфата кальция оказались схожи с контрольным гидроксиапатитом, однако в экспериментальной версии ученые наблюдали большую устойчивость к рекристаллизации, которая затрудняет процесс приживления искусственной ткани к живой. Кроме того, цитотоксичность и гемолитическая активность частиц экспериментального фосфата кальция была не выше (а в некоторых тестах даже ниже), чем у контрольного материала. Также он проявлял достаточную иммуносовместимость. В двух- и трехмерных моделях мышиного зубного сосочка — эмбрионального зачатка зуба — частицы экспериментального фосфата кальция проявляли лучшую, по сравнению с контролем, активацию остеогенных клеток, которая оценивалась по экспрессии белков, ответственных за построение внеклеточного матрикса костной ткани (как органического, так и неорганического). Благодаря этому модели начинали приобретать структуру, напоминающую костную ткань. Это исследование показывает, что у яичной скорлупы как источника аморфного фосфата кальция есть потенциал использования в качестве костного полусинтетического трансплантата. При этом при его производстве практически не остается отходов. Если дефект кости небольшой, то можно воспользоваться титановыми пластинами в качестве имплантатов. Ученые придумали, как усовершенствовать их: они нанесли на них биопленку из бактерии Lactobacillus casei. Это помогло усилить регенерацию кости и защитить ее от метициллинрезистентного золотистого стафилококка.
