Første atomfilm i realtid med platin-nanokrystalvækst i væsker

De kommer ikke snart til en multiplex nær dig, men film, der viser væksten af ​​platin-nanokrystaller i atomskala i realtid, har blockbuster-potentiale. Et team af forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley har udviklet en teknik til indkapsling af væsker af nanokrystaller mellem lag af grafen, så kemiske reaktioner i væskerne kan afbildes med et elektronmikroskop . Med denne teknik, film kan laves, der giver enestående direkte observationer af fysiske, kemiske og biologiske fænomener, der finder sted i væsker på nanometerskalaen.

"At se kemiske reaktioner i realtid i væsker i atomskala er en drøm for kemikere og fysikere, "siger Jungwon Park, et medlem af teamet, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeleys kemiafdeling. "Ved hjælp af vores nye grafen flydende celle, vi er i stand til at fange en lille mængde flydende prøve under et højt vakuumforhold til optagelse af film i realtid af nanopartikelvækstreaktioner. Da grafen er kemisk inert og ekstremt tyndt, vores flydende celle giver realistiske prøveforhold for at opnå høj opløsning og kontrast. "

Park var hovedforfatter, sammen med Jong Min Yuk, af et papir i journalen Videnskab der beskriver denne forskning med titlen "High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells." Forskningen blev udført som et samarbejde mellem forskningsgrupperne i Paul Alivisatos, direktør for Berkeley Lab og UC Berkeleys Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi, og Alex Zettl, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeleys Physics Department, hvor han leder Center for Integrated Nanomechanical Systems. Begge er tilsvarende forfattere af Science -papiret sammen med Jeong Yong Lee fra Korea's Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Andre forfattere var Peter Ercius, Kwanpyo Kim, Daniel Hellebusch og Michael Crommie.

Ved brug af en elektronstråle frem for en lysstråle til belysning og forstørrelse, elektronmikroskoper kan "se" objekter hundredvis og endda tusinder af gange mindre end hvad der kan løses med et optisk mikroskop. Imidlertid, elektronmikroskoper kan kun fungere i et højt vakuum, da molekyler i luften forstyrrer elektronstrålen. Da væsker fordamper i højt vakuum, flydende prøver skal lukkes hermetisk i særlige faste beholdere - kaldet celler - med et vindue, før de kan afbildes i et elektronmikroskop. Indtil nu, sådanne flydende celler har vist vinduer fremstillet af siliciumnitrid eller siliciumoxid. Selvom dette har tilladt undersøgelser af nogle nanoskala fænomener i væsker, de siliciumbaserede cellevinduer er for tykke til at tillade stærk penetration af elektronstrålen, og dette har begrænset opløsning til kun få nanometer. Ud over ikke at tillade ægte atomopløsning, de tykke siliciumbaserede cellevinduer ser også ud til at forstyrre den naturlige tilstand af væsken eller prøven suspenderet i væsken.

"Grafen er et enkelt carbonatom i tykkelse, gør den til en af ​​de tyndeste kendte membraner, "siger Park, medlem af Alivisatos 'forskningsgruppe. "Den spreder ikke elektronstrålen, men lader den passere igennem. Desuden grafen er også meget stærk og uigennemtrængelig, såvel som kemisk ikke-reaktiv, og dette hjælper med at beskytte prøven i den flydende celle mod højenergistrålen i et elektronmikroskop. "

For at lave deres grafen flydende celle, Alivisatos-Zettl-samarbejdet indkapslede en platinvækstopløsning mellem to laminerede grafenlag, der blev suspenderet over huller i et konventionelt transmissionselektronmikroskop (TEM) gitter. Grafen blev dyrket på et kobberfoliesubstrat via kemisk dampaflejring og derefter direkte overført til et guld TEM -net med en perforeret amorf carbonbærer. Platinvækstopløsningen blev pipetteret direkte oven på to grafenbelagte TEM-gitre, der vender i modsatte retninger.

"Ved befugtning af systemet, opløsningen væger mellem grafen og amorfe carbonlag, tillader et af grafenarkene at løsne sig fra det tilhørende TEM -gitter, "siger medforfatter Kim, medlem af Zettl -forskergruppen. "Fordi van derWaals -interaktionen mellem grafenark er relativt stærk, flydende dråber, der varierer i tykkelse fra seks til 200 nanometer, kan fanges sikkert i en lomme eller blister mellem grafenarkene. "

For at teste deres grafen flydende celler, samarbejdspartnerne brugte verdens mest kraftfulde elektronmikroskop, TEAM I på National Center for Electron Microscopy (NCEM), som har til huse på Berkeley Lab. TEAM står for Transmission Electron Aberration-corrected Microscope, og TEAM I-instrumentet er i stand til at producere billeder med en halv angstrom opløsning, som er mindre end diameteren på et enkelt hydrogenatom. Med TEAM I og deres nye grafen flydende celler, Alivisatos-Zettl-samarbejdet var i stand til direkte at observere med den højest mulige opløsning til dato og med minimal prøveforstyrrelse, væksten af ​​nanokrystaller af platin, en af ​​de bedste metalkatalysatorer i brug i dag.

"Direkte atomopløsningsbilleddannelse tillod os at visualisere kritiske trin i platin-nanokrystalvækstprocessen, herunder et væld af tidligere uventede fænomener, såsom sted-selektiv koalescens, strukturel omformning efter koalescens, og overfladefacettering, "siger Park.

Tre år siden, Park og Alivisatos var en del af et team, der brugte et andet TEM på NCEM og flydende celler med siliciumnitridvinduer til at optage de første billeder nogensinde af kolloidale platin -nanokrystaller, der vokser i opløsning ved subnanometeropløsning. Deres resultater viste, at mens nogle krystaller i opløsning voksede støt i størrelse via klassisk kimdannelse og aggregering - hvilket betyder, at molekyler kolliderer og slutter sig sammen - andre voksede i anfald og stød, drevet af "koalescenshændelser, "hvor små krystaller tilfældigt støder sammen og smelter sammen til større krystaller. På trods af deres klart forskellige vækstbaner, disse to processer gav i sidste ende nanokrystaller af omtrent samme størrelse og form.

"I den tidligere undersøgelse, imidlertid, vi manglede beslutningen om fuldt ud at forstå, hvordan disse nanopartikler smelter sammen og reorganiserer deres form i koalescensvækstbanen, "Park siger." Med de flydende grafenceller, vi brugte i denne undersøgelse, vi var i stand til at løse den orienterede koalescens langs en bestemt krystalretning og se, hvordan de reorganiserede deres overordnede struktur til en endelig form. "

Med grafen flydende celler og den større opløsning af TEAM I, Alivisatos-Zettl-samarbejdet var i stand til at observere, at de fleste koalescenshændelser forløber i samme krystallografiske retning-krystallets {111} plan. Dette peger på en specifik nanokrystalorientering for koalescens, der ikke er set før i metal -nanopartikler.

"Vi var i stand til at løse atomistisk arrangement i øjeblikket to af platin -nanopartiklerne fusionerede og visualisere orienteret tilknytning, et fænomen, der vides at være en af ​​de største vækstmekanismer for anisotropiske partikler, "Park siger." Denne orienterede koalescens kan være en af ​​dannelsesmekanismerne bag et andet fænomen, vi observerede, to grænser, som opstår, når nanopartikler smelter sammen i samme {111} retning, men på et spejlplan i krystallen. "

I fremtiden, samarbejdspartnerne planlægger at bruge deres grafen flydende celler til at studere væksten af ​​mange forskellige typer nanopartikler, herunder metaller, halvledere og andre nyttige materialer. Grafencellerne kan også påføres biomaterialer, såsom DNA og proteiner, som findes naturligt i løsning.

"De ét atom tykke grafenmembraner er ideelle til væskekapsling, "siger medforfatter Ercius, NCEM -medarbejderen, der kørte TEAM I -mikroskopet til denne undersøgelse. "Når det kombineres med den aberrationskorrigerede billeddannelse af TEAM I, vi kan nå det ultimative inden for billedkontrast og opløsning for in situ flydende eksperimenter. Graphene flydende celleteknik kan let anvendes på andre elektronmikroskoper, og jeg tror, ​​det vil blive medvirkende til at besvare spørgsmål vedrørende syntese af materialer i væsker i atomskala. "