O controle de temperatura durante experimentos de microscopia eletrônica em fase líquida abre novas perspectivas de estudar a dinâmica das nanopartículas em ambientes líquidos imitando sua formação ou mídia de aplicação. Usando células líquidas de aquecimento recentemente desenvolvidas, observamos diretamente a influência da temperatura nos processos de nucleação e crescimento de nanopartículas de ouro na água.
O controle de temperatura é um desenvolvimento recente que fornece um grau adicional de liberdade para estudar a nanoquímica por microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas. Neste artigo, descrevemos como preparar um experimento de aquecimento in situ para estudar o efeito da temperatura na formação de nanopartículas de ouro impulsionadas por radiolise na água. O protocolo do experimento é bastante simples envolvendo uma célula líquida especial com capacidades uniformes de aquecimento até 100 °C, um suporte TEM de célula líquida com capacidades de fluxo e uma interface integrada para controlar a temperatura. Mostramos que os mecanismos de nucleação e crescimento das nanopartículas de ouro são drasticamente impactados pela temperatura em células líquidas. Usando imagem STEM e nanodiffraction, a evolução da densidade, tamanho, forma e estrutura atômica das nanopartículas em crescimento são reveladas em tempo real. Algoritmos automatizados de processamento de imagens são explorados para extrair dados quantitativos úteis de sequências de vídeo, como as taxas de nucleação e crescimento de nanopartículas. Esta abordagem fornece novos insumos para a compreensão dos complexos processos físico-químicos em jogo durante a síntese de fase líquida de nanomateriais.
As nanopartículas metálicas (NPs) têm propriedades físico-químicas promissoras que podem ser usadas em vários domínios, como sensoriamento óptico1,medicina2 ou energia3. A síntese de produtos químicos molhados é um método muito versátil para fabricar NPs metálicos com tamanho e forma bem definidos. Ao longo das últimas décadas, muitas estratégias foram desenvolvidas para obter controle sobre a síntese de NPs: crescimento mediado por sementes4, método de bloqueio facial5,síntese controlada cineticamente6,gravura seletiva7 ou síntese controlada pela temperatura8. No entanto, embora as reações químicas que conduzem a síntese sejam bastante simples, os mecanismos de nucleação e crescimento não são, pois muitos parâmetros desempenham um papel nos processos de formação e sua influência individual são difíceis de recuperar dos instantâneos ex situ dos nanomateriais resultantes extraídos de seu meio de formação em determinados pontos de tempo da síntese. Para realmente entender os processos de nucleação e crescimento e estabelecer formas de controlá-los, devemos empregar ferramentas in situ que permitam sua observação em tempo real em ambiente líquido finamente controlado.
Nesse sentido, a Microscopia eletrônica de Transmissão de Células Líquidas (LCTEM) tem sido um método muito poderoso para lançar uma nova luz sobre a síntese de nanopartículas metálicas9,10,11,12,13. Ao imaginar a dinâmica das nanoestruturas individuais diretamente em suas mídias de formação líquida, essa técnica forneceu uma compreensão mais profunda dos mecanismos de nucleação e crescimento, notavelmente o papel de defeitos cristalinos, morfologia de sementes e ligantes orgânicos que permitem conduzir o crescimento direcional ou processos de gravura e a obtenção de nanomateriais com formas específicas (nanorods, nanostars, nanoplacas, nanoshells)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Quando o feixe de elétrons de um TEM interage com líquidos, os processos de radiolise produzem espécies fortemente redutoras e oxidantes que modificam a química da solução na área irradiada e podem ser usadas para impulsionar o crescimento ou processos de gravação. Curiosamente, a concentração de produtos radiolíticos é conhecida por aumentar com a taxa de dose de elétrons, um parâmetro que pode ser finamente sintonizado em um microscópio eletrônico20. Portanto, essa dependência de taxa de dose de radiolise tem sido explorada para controlar a velocidade de reação e revelar efeitos cinéticos nos processos de formação e morfologia final das nanoestruturas11,15,20.
Embora a temperatura seja um parâmetro crucial na síntese de nanomateriais, seus efeitos até agora não foram cuidadosamente investigados pela LCTEM, porque células líquidas comerciais com controle de temperatura confiável só foram desenvolvidas recentemente. No entanto, tais estudos in situ são indispensáveis para desvendar a cinética complexa e os efeitos termodinâmicos induzem pelas mudanças de temperatura. De fato, por um lado o aumento da temperatura tem impactos drásticos nos processos de faceting durante o crescimento, acelera a difusão atômica e molecular em líquido e modifica as taxas de reação. Por outro lado, o diagrama nano-fase das nanoestruturas também é muito sensível à temperatura. Neste artigo, exploramos células líquidas de aquecimento recentemente desenvolvidas para acompanhar o crescimento radiolítico de nanopartículas de ouro na água com um controle de temperatura entre temperatura ambiente e 100 °C. Essa metodologia que combina imagem STEM e difração em um ambiente cada vez mais próximo das condições reais de síntese reduz a distância entre observações in situ TEM e sínteses em escala de bancada.
O protocolo descrito permite acompanhar a nucleação e o crescimento de nanopartículas de ouro impulsionadas por radiolise em uma mídia líquida controlada pela temperatura. Combinado com o processamento automatizado de vídeo, permite medir o efeito da temperatura sobre parâmetros-chave da síntese de nanopartículas, como a densidade, o tamanho, a forma e a estrutura atômica das nanopartículas. Esses valiosos insumos permitem avaliar o efeito da temperatura sobre as taxas de nucleação e crescimento, detectar possíveis transições de fase e visualizar os processos de facetação que ditam o resultado final das soluções coloidais. Juntamente com a possibilidade de controlar a composição dos meios reativos, a célula líquida controlada pela temperatura TEM é mais um passo para a observação direta dos processos de nucleação e crescimento de várias nanoestruturas em condições realistas de síntese. A interpretação dos resultados apresentados neste artigo e sua comparação com os modelos de nucleação e crescimento serão discutidas em outros lugares. Aqui, queremos destacar vários aspectos metodológicos que devem ser considerados relevantes em experimentos TEM in situ.
Em primeiro lugar, é crucial identificar os efeitos do feixe de elétrons na mídia de reação porque eles podem influenciar drasticamente os resultados do experimento. Aqui, como a radiolise hídrica é a força motriz da formação de nanopartículas, a velocidade de crescimento aumenta rapidamente com a taxa de dose de elétrons que impactará a forma final de nanoí objetos11,15. Portanto, para estudar os efeitos da temperatura na nucleação e crescimento de nanopartículas, é necessário comparar experimentos de crescimento adquiridos com a mesma taxa de dose de elétrons. No modo STEM, a taxa de dose de elétrons corresponde à corrente do feixe (em elétron por segundo) dividida pelo tamanho da imagem (em nm2). Portanto, uma taxa constante de dose de elétrons implica manter a mesma corrente de feixe (ou seja, a mesma abertura condensadora e o mesmo tamanho da mancha) e a mesma ampliação para cada experimento. Quantificar a corrente de feixe das condições de imagem usando uma câmera CCD ou um copo Faraday é importante para interpretar e reproduzir os dados. A ampliação e a taxa de dose resultante devem ser selecionadas de acordo com se desejamos visualizar o crescimento de um grande conjunto de nanopartículas para extrair resultados estatisticamente relevantes sobre a cinética de crescimento(Figura 5) ou os mecanismos de crescimento na escala de nanopartículas únicas para identificar os locais de adsorção preferencial nas superfícies das nanopartículas(Figura 10). Se os processos de nucleação e crescimento forem muito rápidos, particularmente na alta ampliação, uma pequena abertura de condensador e o pequeno tamanho das manchas devem ser selecionados para minimizar a taxa de dose. A nucleação e o crescimento de nanopartículas também podem desacelerar reduzindo a concentração de precursor de metal na solução analisada, mas note que a concentração de produtos radiolíticos aumentará com a temperatura. De uma forma geral, também é importante levar em conta a história de irradiação eletrônica de toda a amostra. Aqui, por exemplo, se vários experimentos de crescimento forem rapidamente realizados em áreas próximas umas das outras, a densidade de nanopartículas diminuirá com o tempo porque a concentração de precursores de ouro na área estudada diminui. Esse efeito pode ser minimizado separando os experimentos de crescimento tanto no espaço quanto no tempo e usando o suporte líquido no modo de fluxo.
Algoritmos de rastreamento de interface são extremamente úteis para automatizar a análise de vídeos e extrair resultados quantitativos sobre a nucleação e crescimento de grandes conjuntos de nanopartículas. No entanto, vale ressaltar que a etapa de binarização de imagem é sempre específica dos dados, o que significa que os filtros e o processamento de dados que devem ser aplicados em imagens para otimizar a detecção da interface nanopartícula/líquida variam de um experimento para outro. Além disso, é essencial comparar os resultados dessas análises automatizadas com medições manuais realizadas em poucas imagens para otimizar o fluxo de trabalho de processamento de imagem e conhecer suas limitações. Aqui, por exemplo, múltiplos eventos de dispersão nas nanopartículas 3D cada vez mais espessas formadas a alta temperatura induz uma inversão de contraste de seu núcleo após 30 segundos de observação porque a ampliação angular de elétrons dispersos resulta em uma diminuição do sinal coletado na faixa angular do detector anular. Para continuar medindo a verdadeira área superficial dessas nanopartículas, utilizamos um processo de dados de “preenchimento” após a binarização da imagem que preenche o círculo interno dos contrastes de forma de anel(Figura 7F,G). No entanto, tivemos que usar uma pequena dilatação dos objetos para garantir que esses contrastes de forma de anel estejam sempre totalmente conectados. Este último passo leva a uma leve supervalorização da área média da superfície das nanopartículas nas medidas automatizadas(Figura 9). Da mesma forma, para a detecção de nanopartículas, temos que definir um tamanho mínimo de objetos detectados (Smim) para evitar detectar o ruído, mas este parâmetro afeta a taxa de nucleação medida. Como visto na Figura 8,o número de nanopartículas detectadas aumenta no início do experimento para chegar a um platô. Quando smin é grande (50 pixels2 correspondente a 1543 nm2), medições automáticas e manuais acordadas no nível deste planalto (835 nanopartículas após 60 segundos), mas a detecção de nanopartículas é retardada na análise automática, uma vez que 835 nanopartículas são contadas manualmente após apenas 12 s, mas não automaticamente detectadas até mais tarde. Esse tempo de detecção estendido leva a uma desvalorização da taxa de nucleação. Reduzir Smin até 20pixels 2 (ou seja, 617 nm2) reduz o erro no tempo de nucleação do conjunto de nanopartículas, mas leva a uma supervalorização da densidade de nanopartículas particularmente no estágio inicial dos experimentos(Figura 8) que também afeta a taxa de nucleação. A detecção e as medidas de tamanho e forma de nanoítos com um comportamento muito dinâmico e uma baixa relação sinal/ruído é um desafio comum no TEM de fase líquida que pode ser melhorado usando outros métodos de segmentação e desnoização24 ou machine learning se aproxima25.
Por último, mas não menos importante, a preparação da célula líquida e a limpeza do suporte líquido devem ser realizadas com muito cuidado para evitar contaminações dos meios de reação.
Em geral, controlar a temperatura da amostra durante as análises da LCTEM proporciona a oportunidade de investigar efeitos térmicos sobre reações químicas que ocorrem na interface entre sólidos e líquidos. Portanto, esperamos que o presente método abra caminho para outros experimentos IN SITU TEM projetados para revelar a dinâmica de materiais duros, macios ou biológicos em meios líquidos controlados pela temperatura.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos o apoio financeiro da Região Ile-de-France (convenção SESAME E1845 para o microscópio eletrônico JEOL ARM 200 F instalado na Universidade de Paris), o Labex SEAM (Projeto GLOIRE) e o CNRS (Programa Defi Nano). Agradecemos a Madeline Dukes e Daniel Franck por compartilharem os esquemas e as imagens ópticas das células líquidas vistas nas figuras 1 e 2.
2100 Plus electron microscope | Jeol | ||
Acetone | Merck | ||
Air pistol | |||
ARM 200F electron microscope | Jeol | ||
Binoculars or optical microscope | |||
Carbon tipped tweezers | |||
Computer with heating software | Software by Protochips | ||
Distlilled water | |||
Dummy e-chips | Protochips | ||
Gasket/O-rings | Protochips | ||
Gold aqueous solution | Merck | 1 mM of HAuCl4 – Prepared beforehand | |
Large liquid heating E-chip | Protochips | ||
Methanol | Merck | ||
One View camera | Gatan | ||
Petri dish | Number : 2 | ||
Plasma cleaner | Gatan | ||
Poseidon Select | Protochips | Liquid cell holder | |
Power supply Keithley 2450 | |||
Protective gloves | |||
Red PEEK tubing | Number : 3 | ||
Screwdriver with torque | |||
Small liquid E-chip | Protochips | 150 nm spacers | |
STEM HAADF detector | Jeol | ||
STEMx software | Gatan | ||
Syringe | Number : 2 | ||
Syringe pump | Harvard apparatus | Number : 2 | |
Vacuum pump | Gatan |