En mest enestående nano-billedteknik (Opdatering)

Ligesom proteiner er en af ​​biologiens grundlæggende byggesten, nanopartikler kan tjene som de grundlæggende byggesten til næste generations materialer. I overensstemmelse med denne parallel mellem biologi og nanoteknologi, en gennemprøvet teknik til at bestemme de tredimensionelle strukturer af individuelle proteiner er blevet tilpasset til at bestemme 3D-strukturerne af individuelle nanopartikler i opløsning.

Et multi-institutionelt team af forskere ledet af det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har udviklet en ny teknik kaldet "SINGLE", der giver de første atomare billeder af kolloide nanopartikler. ENKELT, som står for 3D Structure Identification of Nanoptics by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy, er blevet brugt til separat at rekonstruere 3D-strukturerne af to individuelle platinnanopartikler i opløsning.

"Forståelse af strukturelle detaljer om kolloide nanopartikler er påkrævet for at bygge bro over vores viden om deres syntese, vækstmekanismer, og fysiske egenskaber for at lette deres anvendelse på vedvarende energi, katalyse og en lang række andre områder, " siger Berkeley Labs direktør og den berømte nanovidenskabsautoritet Paul Alivisatos, der ledede denne forskning. "Mens de fleste strukturelle undersøgelser af kolloide nanopartikler udføres i et vakuum efter krystalvækst er afsluttet, vores SINGLE metode giver os mulighed for at bestemme deres 3D struktur i en løsning, et vigtigt skridt til at forbedre designet af nanopartikler til katalyse- og energiforskningsapplikationer."

Alivisatos, som også har Samsung Distinguished Chair i Nanoscience and Nanotechnology ved University of California Berkeley, og leder Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley (Kavli ENSI), er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Videnskab . Artiklen har titlen "3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy." De ledende medforfattere er Jungwon Park fra Harvard University, Hans Elmlund fra Australiens Monash University, og og Peter Ercius fra Berkeley Lab. Andre medforfattere er Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Sang Hoon Han, David Weitz og Alex Zettl.

Kolloide nanopartikler er klynger af hundreder til tusinder af atomer suspenderet i en opløsning, hvis kollektive kemiske og fysiske egenskaber bestemmes af størrelsen og formen af ​​de individuelle nanopartikler. Billedteknikker, der rutinemæssigt bruges til at analysere 3D-strukturen af ​​individuelle krystaller i et materiale, kan ikke anvendes på suspenderede nanomaterialer, fordi individuelle partikler i en opløsning ikke er statiske. Funktionaliteten af ​​proteiner bestemmes også af deres størrelse og form, og videnskabsmænd, der ønskede at afbilde 3D-proteinstrukturer, stod over for et lignende problem. Proteinbilleddannelsesproblemet blev løst ved en teknik kaldet "enkelt-partikel kryo-elektronmikroskopi, ", hvor titusindvis af 2D transmissionselektronmikroskop (TEM) billeder af identiske kopier af et individuelt protein eller proteinkompleks frosset i tilfældige orienteringer optages og derefter beregningsmæssigt kombineres til højopløselige 3D-rekonstruktioner. Alivisatos og hans kolleger brugte dette koncept til at skabe deres ENKELT teknik.

"I materialevidenskab, vi kan ikke antage, at nanopartiklerne i en opløsning alle er identiske, så vi var nødt til at udvikle en hybrid tilgang til at rekonstruere 3D-strukturerne af individuelle nanopartikler, " siger co-lead forfatter af Videnskab papir Peter Ercius, en stabsforsker ved National Center for Electron Microscopy (NCEM) ved Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"SINGLE repræsenterer en kombination af tre teknologiske fremskridt fra TEM-billeddannelse inden for biologisk og materialevidenskab, " siger Ercius. "Disse tre fremskridt er udviklingen af ​​en flydende grafencelle, der tillader TEM-billeddannelse af nanopartikler, der roterer frit i opløsning, direkte elektrondetektorer, der kan producere film med millisekund billed-til-billede tidsopløsning af de roterende nanokrystaller, og en teori for ab initio enkeltpartikel 3D-rekonstruktion."

Den flydende grafencelle (GLC), der var med til at gøre denne undersøgelse mulig, blev også udviklet på Berkeley Lab under ledelse af Alivisatos. TEM-billeddannelse bruger en stråle af elektroner i stedet for lys til belysning og forstørrelse, men kan kun bruges i et højt vakuum, fordi molekyler i luften forstyrrer elektronstrålen. Da væsker fordamper i højvakuum, Prøver i opløsninger skal hermetisk forsegles i specielle faste beholdere - kaldet celler - med et meget tyndt synsvindue, før de afbildes med TEM. I fortiden, flydende celler indeholdt siliciumbaserede synsvinduer, hvis tykkelse begrænsede opløsningen og forstyrrede prøvematerialernes naturlige tilstand. GLC, der er udviklet på Berkeley lab, har et visningsvindue lavet af et grafenark, der kun er et enkelt atom tykt.

"GLC'en giver os en ultratynd belægning af vores nanopartikler, mens den opretholder væskeforhold i TEM-vakuumet, " siger Ercius. "Da grafenoverfladen på GLC er inert, det adsorberer eller forstyrrer ikke vores nanopartiklers naturlige tilstand."

Arbejder hos NCEM's TEAM I, verdens mest kraftfulde elektronmikroskop, Ercius, Alivisatos og deres kolleger var i stand til in situ at afbilde de translationelle og roterende bevægelser af individuelle nanopartikler af platin, der var mindre end to nanometer i diameter. Platinnanopartikler blev valgt på grund af deres høje elektronspredningsstyrke, og fordi deres detaljerede atomstruktur er vigtig for katalyse.

"Vores tidligere GLC undersøgelser af platin nanokrystaller viste, at de vokser ved aggregering, resulterer i komplekse strukturer, som ikke er mulige at bestemme med nogen tidligere udviklet metode, " siger Ercius. "Da SINGLE udleder sine 3D-strukturer fra billeder af individuelle nanopartikler, der roterer frit i opløsning, det muliggør analyse af heterogene populationer af potentielt uordnede nanopartikler, der syntetiseres i opløsning, derved give et middel til at forstå strukturen og stabiliteten af ​​defekter på nanoskala."

Det næste trin for SINGLE er at gendanne et fuldt 3D atomisk opløsningstæthedskort over kolloide nanopartikler ved hjælp af et mere avanceret kamera installeret på TEAM I, der kan give 400 billeder pr. sekund og bedre billedkvalitet.

"Vi planlægger at afbilde defekter i nanopartikler lavet af forskellige materialer, kerneskalpartikler, og også legeringer lavet af to forskellige atomarter, " siger Ericus.