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martedì 19 febbraio 2008

UNO SGUARDO ALLA NANOSFERA 3

(nanotubi, in nero, all'interno del nucleo di una cellula)

Per la prima volta, è stato possibile visualizzare direttamente l'ingresso e la migrazione di nanotubi all'interno di una cellula umana, in modo da verificare se i nanotubi causano la morte della cellula. Il risultato ha dimostrato che dipende dalla dimensione e dal tempo di esposizione (il lavoro è stato pubblicato su Nature Nanotechnology).


Molti studi hanno esplorato la tossicità dei nanotubi al carbonio. Alcuni hanno concluso che sono tossici, altri sono più cauti. Grazie all'osservazione diretta sappiamo ora, per certo, che il pericolo tossicità esiste.

Alexandra Porter, del London Center for Nanotechnology, e colleghi del Daresbury Laboratory dell'University of Cambridge, hanno usato due tipi di microscopio per visualizzare l'ingresso dei nanotubi nei macrofagi, cellule del sistema immunitario umano, osservando i nanotubi entrare nel citoplasma, in alcuni organelli e poi nel nucleo. Hanno scelto i macrofagi perché sono la prima linea di difesa contro invasioni "aliene" in molti tessuti del corpo. Le nanoparticelle che sono inalate, come le polveri dei nanotubi, possono essere bloccate proprio dai macrofagi e impedire la loro migrazione verso il sangue e il sistema linfatico, fondamentale per la difesa del corpo contro le infezioni.

Le cellule analizzate sono state trattate con soluzioni contenenti nanotubi, con concentrazioni tra lo zero e i 10 microgrammi (milionesimi di grammo) per millimetro, per un periodo di due e quattro giorni. Le immagini hanno rivelato che, dopo due giorni, anche le cellule sottoposte alla maggiore concentrazione di nanotubi apparivano in salute. Ma dopo quattro giorni, anche le concentrazoni più basse hanno causato gravi problemi. Se nei primi due giorni, i nanotubi hanno penetrato i lisosomi, gli organelli del citoplasma che spezzano le sostanze metaboliche e le particelle "aliene" presenti nella cellula, dopo quattro giorni, hanno penetrato il citoplasma e sono arrivati fino al nucleo.

“Questo significa che i nanotubi possono interagire con proteine intracellulari, organelli e con il DNA", ha detto la Porter, "accrescendo di molto il loro potenziale tossico".

Le nanoparticelle stanno rapidamente perdendo quell'alone di mistero che ha contribuito a renderle tanto popolari. Proprio di recente, è stata determinata con esattezza la struttura di una classe di nanoparticelle dorate ampiamente usate nei laboratori. per via della loro adattabilità. come traccianti, per rivelare la presenza di specifiche proteine o di DNA in un campione, per esempio.

l nanoscienziati hanno creato, a partire dalle nanoparticelle, una struttura cristallina per poter osservare l'interno delle particelle e ricavarne la forma (il lavoro è apparso su Nature).

Credits: Lyncean Technologies

I moderni "sincrotroni" (synchrotrons) consentono di produrre la cosiddetta " radiazione di sincrotone" - una radiazione elettromagnetica generata da elettroni e positroni ad alta energia che si muovono su traiettorie circolari, in un campo magnetico relativamente debole, a velocità prossime alla velocità della luce - utilizzata per la cristallografia di proteine e grandi molecole organiche, per analisi chimiche, incisione di chip elettronici, analisi di materiali ecc.

Ricercatori della Lyncean Technologies, una startup di Palo Alto (Calfornia), hanno realizzato un sincrotone in miniatura, grande quanto una stanza, che sarà usato dall' Accelerated Technologies Center for Gene to 3D Structure, parte della "Protein Structure Initiative" dei National Institutes of Health statunitensi, mentre un altro prototipo sarà installato allo Scripps Research Institute. "Non è potente come i sincrotroni più grandi", dice Ronald Ruth, presidente della Lyncean, "ma è più economico e compatto, è come un PC che potrà essere disponibile all'utilizzo di più utenti".

La radiazione di sincrotone è centinaia di milioni di volte più luminosa e concentrata delle radiazioni X ordinarie, e consente misurazioni atomiche molto precise. Inoltre, essendo continua, è anche sintonizzabile, dando la possibilità ai ricercatori di regolare l'energia in base al materiale che intendono analizzare. "La qualità della radiazione prodotta dal nostro sincrotrone è al livello delle macchne più grandi", dice Franz Pfeiffer, fisico del Paul Scherrer Institute e dell'École Polytechnique Federale di Losanna, in Svizzera.

Credits: Changyoung Song

Un team di ricerca guidato da Jianwei Miao e Changyong Song della University of California di Los Angeles, che include ricercatori dell'Australian Synchotron e dell'Argonne National Laboratory dell'Illinois, ha realizzato un microscopio a raggi x con una risoluzione pixel di 15 nanometri, oltre la scala molecolare, nel fantastico mondo della nanosfera. La risoluzione ultima delle immagini, hano detto i nanoscienziati, è limitata solo dalle lunghezze d'onda dei raggi x, e in teoria potrà raggiungere un livello quasi atomico (il diametro medio di un atomo è di circa 0.1 nanometri). Lo studio è stato pubblcato su Physical Review Letters.

Si tratta di una delle risoluzioni più alte mai ottenute per la microscopa a raggi x", ha detto Miao, "oltre a fornire immagini ad alta risoluzione servirà a coglie le specificità degli elementi". La tecnica di imaging è chiamata "resonant x-ray diffraction microscopy" ("diffrazione a raggi x risonante") e per la prima volta è stata usata per visualizzare strutture nascoste (come i dopanti tra elementi ospiti) ad una alta risoluzione. La diffrazione a raggi x risonante è diversa dalle altre tecniche perché il microscopio non ha lenti, il ché consente di evitare problemi come la scarsa messa a fuoco e si possono usare campioni più piccoli da investigare. Invece delle lenti, il microscopio utilizza una puntina del diametro di 10 micrometri che seleziona la parte spazialmente più coerente del fascio di raggi x che fornisce la lunghezza d'onda migliore.

Il fascio di raggi x prima prende le immagini da due patterns della diffrazione, uno appena sopra il limite di assorbimento del campione, e l'altro appena sotto (il limite di assorbimento, o limite di banda, è definito quando fotoni assorbono sufficiente energia di legame per eccitare gli elettroni dell'atomo e produrre un fotoelettrone). Poi, i ricercatori hanno determinato la differenza tra i due patterns di diffrazione per ottenere la distribuzione spaziale dell'elemento, necessaria per determinare la struttura superficiale e l'indice di rfrazione del campione, che può essere usato per determinare i suoi contenuti molecolari.Siccome la videocamera del microscopio ha registrato migliaia di patterns di diffrazione, i ricercatori hanno dovuto anche sviluppare un algoritmo specifico per individuare l'immagine con le caratteristiche migliori.

Grazie a tutto questo, in futuro si potrà analizzare in modo più approfondito l'auto-assemblamento tridimensionale delle nanostrutture. "Possiamo adattare la tecnica pr visualizzare le orbte elettroniche oppure gli stati chimici di un ampio range di sistemi", dice Miao, "come materiali magnetici, smiconduttori, materiali organici, bio-minerali e campioni biologici".

(Fonte: Song, Changyoung, Bergstrom, Raymond, Ramunno-Johnson, Damien, Jiang, Huaidong, Paterson, David, Jonge, Martin D., McNulty, Ian, Lee, Jooyoung, Wang, Kang L., and Miao, Jianwei. “Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy”, Physical Review Letters)

Credits: Oleg Gang

Nel 1996, scienziati dell'IBM e della Northwestern University programmarono una catena di DNA ad auto-assemblarsi in una struttura semplice. Fu uno dei primi lavori che contribuì a lanciare l'allora emergente nanotecnologia, suggerendo la possibilità di costruire nuovi materiali dalle proprietà uniche. 12 anni dopo, ricercatori della Northwestern e del Brookhaven National Laboratory, in due lavori separati riportati da Nature, hanno usato "DNA linkers" per trasformare nanoparticelle in cristalli perfetti contenenti fino a un milione di particelle. "Si tratta di strutture deliberatamente programmate", dice Chad Mirkin della Northwestern, tra i pionieri del "DNA linking" negli anni '90, coautore di uno dei due nuovi studi, "è un nuovo modo di operare". Il fisico David Stroud, della Ohio State University, ha definito il lavoro "notevole". Secondo lui si tratta di un'innovazione che consentirà l'assemblaggio di nuovi materiali dotati di specifiche proprietà elettro-ottico-magnetiche.

Gli sforzi fino ad oggi effettuati per programmare l'auto-assemblaggio tridimensionale di nanoparticelle non hanno prodotto grandi risultati. La compagnia esordiente di Mirkin, la NanoSphere, è riuscita a sviluppare degli strumenti di diagnostica medica che hanno ricevuto l'approvazione della Food and Drug Administration. Ma i materiali più complessi ed "esotici" a cui si punta richiedono strutture precise e ordinate. Il problema è che le nanoparticelle sono relative agli atomi che formano i cristalli e si muovono piuttosto lentamente, specialmente con catene di DNA attaccate. Quando vengono raffreddate, per consentire alla catena di DNA complementare di attaccarsi, tendono a congelarsi in un arrangiamento disordinato.

Gli autori dei due nuovi studi - un team della Northwestern guidato da Mirkin e dal chimico George Schatz e uno del Brookhaven Functional Materials Center guidato dal fisico Oleg Gang - hanno usato catene di DNA più lunghe per dare alle particelle più flessibilità durante la formazione del cristallo. Entrambi i team hanno dotato le catene di DNA di sequenze extra in modo da legarle a nanoparticelle dorate. Il risultato è stato un cristallo di lattice fomato da un mix di particelle. Il gruppo di Mirkin, da tempo sta lavorando a metodi per piazzare differenti DNA linkers su diverse facce di particelle non-sferiche, come prismi triangolari e virus. Con il nuovo metodo riuscirà probablmente a programmare dei materiali ancora più complessi. "La possibilità veramente intrigante è quella di riuscire a programmare la formazione di ogni struttura che si vuole", dice Mirkin.

Possibili applicazioni includono cristalli fotonici in cui la precisa periodicità delle particelle consentirà di manipolare specifiche lunghezze d'onda luminose e fotovoltaici in grado di catturare un più ampo range di spettro solare.

l'organizzazione su scala nanometrica di componenti molecolari su una superficie di rame mostra l'ordinamento di due tipi di molecole attraverso l'auto-selezione. Credits: Forschungszentrum Karlsruhe und Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart

Un gruppo di ricerca guidato a Stoccarda da Klaus Kern, al Max Planck Institute (MPI) for Solid State Research, e da Mario Ruben, al Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (FZK), è riuscito a documentare i passi selettivi esibiti dalle molecole durante il processo automatico di auto-assemblamento che comincia con un mix casuale: l'oganizzazione è attivata dalle istruzioni contenute nelle molecole stesse (la ricerca è apparsa negli USA su Proceedings of the National Academy of Sciences).

Durante l'assemblaggio si svolge una selezione attiva: le molecole in posizione non corretta si muovono verso quelle fissate propriamente. L'osservazione di tale processo, per la prima volta, fornisce nuovi dati sui passi fondamentali dell'evoluzione biologica dalle molecole inanimate alle entità viventi. Le nanostrutture risultanti costituscono anche una grande promessa per lo sviluppo di nuovi catalizzatori, nuove nanotecnologie e nuove applicazioni.

"L'abiltà delle molecole di auto-assemblarsi selettivamente in strutture altamente organizzate", spiega il Prof. Dr. Klaus Kern, direttore del Nanoscale Science Department al MPI, "è alla base di tutti i sistemi basati su molecole, inclusi gli organismi biologici". Il Dr. Mario Ruben, del tema del FZK che ha disegnato le molecole con le istruzioni inciorporate, ha commentato: "l'ordine spontaneo emerge da un miscuglio casuale solo quando le istruzioni sono opportunamente disegnate e sufficientemente forti per dare inizio con successo all'auto-selezione".

Gli scienziati del MPI hanno osservato direttamente lo svolgersi dell'auto-selezione e dell'auto-assemblamento delle molecole, che si sono auto-organizzate in base alle proprie dimensioni su una griglia grande circa un nanometro (0.000 000 001 metri), così piccola che per osservarla sono dovuti ricorrere ad una tecnica di microscopia ultra-sensitiva.

"Quantum Forest", Thorsten Dziomba

In occasione del 25imo anniversario dalla nascita dei Scanning Tunneling Microscopes (STMs), Micoscopi a Scansione Tunnel, creati nel 1986, strumenti altamente "psichedelici" che hanno permesso di visualizzare per la prima volta la "nanosfera" e manipolare singoli atomi e molecole, facendo nascere in pratica la nanotecnologia, un contest internazionale - "International Scanning Probe Microspcope Image Prize 2007 (SPMage07)" - ha scelto le più belle immagini mai realizzate con questi strumenti.


"Bromine Atoms", Jody Yang


La "Foresta Quantistica" ("Quantum Forest"), realizzata in Germania da Thorsten Dziomba, mostra "GeSi quantum dots", conglomerati di poche centinaia o migliaia di atomi fatto di nanostrutture semiconduttrici che confinano il movimento degli elettroni, alti 15 nanomentri e del diametro di 70 nanometri.

12 atomi di bromino ("Bromine Atoms"), arrangiati in un circolo attraverso auto-assemblamento molecolare, sono stati "catturati" da Jody (Seung Yun) Yang, un chimico della University of Toronto con un nuovo metodo che sfrutta gli STMs per la stampa molecolare.

"Nanowires", Oliver Bumchen

Oliver Bumchen, della Saarland University, ha realizzato una immagine, usando un Atomic Force Microscopy (AFM), un Microscopio a Forza Atomica, di 2micron x 2 micron nel tentativo di riprodurre il cosiddetto "effetto loto", la straordinaria capacità dei fiori di loto di mantenersi sempre puliti: sulle foglie del loto, l'acqua non viene trattenuta, infatti queste foglie sono sempre asciutte, ma scivola via in tante goccioline che si formano per via dell'alta tensione superficiale presente sulla foglia, portando con sé la fanghiglia e i piccoli insetti che in essa si trovano.


Attraverso un processo di Deposito a Vapore Chimico, Bumchen ha creato uno stupefacente assemblamento di nanocavi, cavi con diametro nell'ordine dei nanometri che esibiscono proprietà quantistiche, che reagiscono alle goccioline d'acqua in modo simile alle foglie del loto.

Con la nanotecnologia si sta cercando di riprodurre l'effetto loto in vernici, tegole, tessuti ed altre superfici in modo che restino sempre pulite e asciutte.





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