Temperaturkontrol under elektronmikroskopieksperimenter i væskefasen åbner nye perspektiver for at studere dynamikken i nanopartikler i flydende miljøer, der efterligner deres dannelses- eller applikationsmedier. Ved hjælp af nyligt udviklede varmevæskeceller observerede vi direkte temperaturens indflydelse på kerne- og vækstprocesserne af guldnanopartikler i vand.
Temperaturkontrol er en nylig udvikling, der giver en ekstra grad af frihed til at studere nanokemi ved flydende celle transmission elektronmikroskopi. I dette papir beskriver vi, hvordan man forbereder et in situ-opvarmningseksperiment til at studere temperaturens virkning på dannelsen af guldnanopartikler drevet af radiolyse i vand. Eksperimentets protokol er forholdsvis enkel og involverer en speciel flydende celle med ensartet opvarmningskapacitet op til 100 °C, en TEM-holder med væskecelle med strømningskapacitet og en integreret grænseflade til styring af temperaturen. Vi viser, at kerne- og vækstmekanismerne for guldnanopartikler påvirkes drastisk af temperaturen i flydende celle. Ved hjælp af STEM-billeddannelse og nanodiffraktion afsløres udviklingen af densiteten, størrelsen, formen og atomstrukturen af de voksende nanopartikler i realtid. Automatiserede billedbehandlingsalgoritmer udnyttes til at udtrække nyttige kvantitative data fra videosekvenser, såsom kerner og vækstrater for nanopartikler. Denne tilgang giver nye input til forståelse af de komplekse fysisk-kemiske processer, der er på spil under den flydende fasesyntese af nanomaterialer.
Metal nanopartikler (NPs) har lovende fysisk-kemiske egenskaber, der kan bruges i forskellige områder såsom optisk sensing1, medicin2 eller energi3. Vådkemisk syntese er en meget alsidig metode til fremstilling af metal-NPs med veldefineret størrelse og form. I løbet af de sidste årtier er der udviklet mange strategier for at få kontrol over NPs syntese: frømedieret vækst4, ansigtsblokeringsmetode5, kinetisk kontrolleret syntese6, selektiv ætsning7 eller temperaturstyret syntese8. Men mens de kemiske reaktioner, der driver syntesen, er ret enkle, er nukleations- og vækstmekanismerne ikke, fordi mange parametre spiller en rolle i dannelsesprocesserne, og deres individuelle indflydelse er vanskelige at hente fra ex situ-snapshots af de resulterende nanomaterialer, der udvindes fra deres dannelsesmedium på givne tidspunkter af syntesen. For virkelig at forstå nukleation og vækstprocesser og etablere måder at kontrollere dem på, skal vi anvende in situ-værktøjer, der tillader deres realtidsobservation i fint kontrolleret flydende miljø.
I denne henseende har Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy (LCTEM) været en meget kraftfuld metode til at kaste nyt lys på syntesen af metalliske nanopartikler9,10,11,12,13. Ved at billeddanne dynamikken i de enkelte nanostrukturer direkte i deres flydende dannelsesmedier har denne teknik givet en dybere forståelse af kerne- og vækstmekanismer, især den rolle, krystal defekter, frø morfologi og organiske ligands, der tillader kørsel retningsbestemt vækst eller ætsning processer og opnå nanomaterialer med specifikke former (nanorods, nanostjerner, nanoplader, nanoshells)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Når elektronstrålen i en TEM interagerer med væsker, producerer radiolyseprocesser stærke reducerende og oxiderende arter, der ændrer opløsningskemien i det bestrålede område og kan bruges til at drive vækst- eller ætsningsprocesser. Interessant nok er koncentrationen af radiolytiske produkter kendt for at stige med elektrondosishastigheden, en parameter, der kan finjusteres i et elektronmikroskop20. Derfor er denne dosishastighedsafhængighed af radiolyse blevet udnyttet til at kontrollere reaktionshastigheden og afsløre kinetiske virkninger på dannelsesprocesserne og den endelige morfologi af nanostrukturer11,15,20.
Selv om temperaturen er en afgørende parameter i nanomaterialer syntese, dens virkninger er hidtil ikke blevet omhyggeligt undersøgt af LCTEM, fordi kommercielle væskeceller med pålidelig temperaturkontrol er først for nylig blevet udviklet. Alligevel er sådanne in situ-undersøgelser uundværlige for at optrævle de komplekse kinetik og termodynamiske virkninger, der fremkaldes af temperaturændringer. På den ene side har en forøgelse af temperaturen drastiske konsekvenser for facetprocesserne under væksten, fremskynder atom- og molekylær diffusion i væske og ændrer reaktionshastighederne. På den anden side er nanofasediagrammet over nanostrukturer også meget følsomt over for temperatur. I denne artikel udnytter vi nyligt udviklede varmevæskeceller til at følge den radiolytiske vækst af guldnanopartikler i vand med en temperaturkontrol mellem stuetemperatur og 100 °C. Denne metode, der kombinerer STEM-billeddannelse og diffraktion i et miljø, der nærmer sig og tættere på de virkelige synteseforhold, reducerer kløften mellem in situ TEM-observationer og syntheses i bænkskala.
Den beskrevne protokol gør det muligt at følge kernen og væksten af guldnanopartikler drevet af radiolyse i et temperaturstyret flydende medie. Kombineret med automatiseret videobehandling gør det det muligt at måle temperaturens effekt på nøgleparametre for nanopartikelsyntese såsom massefylden, størrelsen, formen og atomstrukturen af nanopartikler. Disse værdifulde input gør det muligt at evaluere temperaturens effekt på nukleationen og vækstraterne, opdage mulige faseovergange og visualisere de facetprocesser, der dikterer det endelige resultat af kolloide løsninger. Sammen med muligheden for at kontrollere sammensætningen af de reaktive medier er temperaturstyret flydende celle TEM endnu et skridt i retning af direkte observation af kerne- og vækstprocesserne i forskellige nanostrukturer under realistiske synteseforhold. Fortolkningen af resultaterne i denne artikel og deres sammenligning med nukleations- og vækstmodeller vil blive diskuteret andetsteds. Her ønsker vi at fremhæve flere metodologiske aspekter, der skal overvejes for at udføre relevante in situ TEM-eksperimenter.
Først og fremmest er det afgørende at identificere elektronstråleeffekterne i reaktionsmedierne, fordi de drastisk kan påvirke resultaterne af eksperimentet. Her, som vand radiolyse er drivkraften bag nanopartikel dannelse, væksthastigheden stiger hurtigt med elektron dosis sats, som vil påvirker den endelige form af nano-objekter11,15. For at studere temperaturens virkninger på kerner og vækst af nanopartikler er det derfor nødvendigt at sammenligne væksteksperimenter erhvervet med samme elektrondosishastighed. I STEM-tilstand svarer elektrondosishastigheden til strålestrømmen (i elektron pr. sekund) divideret med billedstørrelsen (i nm2). Derfor indebærer en konstant elektrondosishastighed at opretholde den samme strålestrøm (dvs. samme kondensatoråbning og samme punktstørrelse) og den samme forstørrelse for hvert eksperiment. Det er vigtigt at kvantificere strålestrømmen for billedbehandlingsbetingelserne ved hjælp af et CCD-kamera eller en Faraday-kop for at fortolke og reproducere dataene. Forstørrelsen og den deraf følgende dosishastighed bør vælges, alt efter om man ønsker at visualisere væksten i en stor samling nanopartikler for at udtrække statistisk relevante resultater på vækstkinetik (figur 5) eller vækstmekanismerne på enkelt nanopartikelskala for at identificere de foretrukne adsorptionssteder på nanopartikeloverfladerne (figur 10). Hvis nukleationen og vækstprocesserne er for hurtige, især ved høj forstørrelse, skal der vælges en lille kondensatoråbning og en lille pletstørrelse for at minimere dosishastigheden. Kerner og vækst af nanopartikler kan også bremse ved at reducere koncentrationen af metalprækursor i den analyserede opløsning, men bemærk, at koncentrationen af radiolytiske produkter vil stige med temperaturen. Generelt er det også vigtigt at tage hensyn til elektronbestrålingshistorien for hele prøven. Her, for eksempel, hvis flere væksteksperimenter hurtigt udføres i områder tæt på hinanden, vil tætheden af nanopartikler falde over tid, fordi koncentrationen af guldprækursorer i det undersøgte område falder. Denne effekt kan minimeres ved at adskille væksteksperimenter både i rum og tid og ved at bruge væskeholderen i flowtilstand.
Interface-tracking algoritmer er yderst nyttige til at automatisere analysen af videoer og udtrække kvantitative resultater på kerner og vækst af store nanopartikler forsamlinger. Det er dog værd at bemærke, at billed-binarization-trinnet altid er dataspecifikt, hvilket betyder, at filtrene og den databehandling, der skal anvendes på billeder for at optimere detektionen af nanopartikel / flydende interface, vil variere fra et eksperiment til et andet. Desuden er det vigtigt at sammenligne resultaterne af disse automatiserede analyser med manuelle målinger udført på nogle få billeder for at optimere billedbehandlingsarbejdsgangen og kende dens begrænsninger. Her fremkalder flere spredningshændelser i de stadig tykkere 3D-nanopartikler dannet ved høj temperatur en kontrastinversion af deres kerne efter 30 sekunders observation, fordi den kantede udvidelse af spredte elektroner resulterer i et fald i det indsamlede signal i det kantede område af ringformede detektorer. For at holde måle den sande overflade område af disse nanopartikler, brugte vi en “fylde huller” dataproces efter binarization af det billede, der fylder den inderste cirkel af ring form kontraster(Figur 7F,G). Vi var dog nødt til at bruge en lille dilatation af objekterne for at sikre, at disse ringformkontrast altid er fuldt forbundet. Sidstnævnte trin fører til en mindre overvurdering af nanopartiklernes gennemsnitlige overfladeareal i de automatiserede målinger (figur 9). På samme måde er vi til påvisning af nanopartikler nødt til at definere en minimal størrelse af fundne objekter (Smim)for at undgå at detektere støjen, men denne parameter påvirker den målte kernehastighed. Som det fremgår af figur 8, stiger antallet af påviste nanopartikler i begyndelsen af eksperimentet for at nå et plateau. Når Smin er stor (50pixels 2 svarende til 1543 nm2), automatiske og manuelle målinger aftalt på niveauet af dette plateau (835 nanopartikler efter 60 sekunder), men påvisning af nanopartikler er forsinket i den automatiske analyse, da 835 nanopartikler tælles manuelt efter kun 12 s, men ikke automatisk opdaget før senere. Denne forlængede detektionstid fører til en undervurdering af nukleationshastigheden. Reduktion Smin ned til 20 pixel2 (dvs. 617 nm2) reducerer fejlen på kernen tid nanopartikel samling, men det fører til en overvurdering af nanopartikeltætheden især på det tidlige stadium af forsøgene (Figur 8), som også påvirker nukleationshastigheden. Detektionen og størrelses- og formmålingerne af nanoobjekter med en meget dynamisk adfærd og et lavt signal til støjforhold er en almindelig udfordring i flydende TEM, der kan forbedres yderligere ved hjælp af andre segmenterings- og denoisingmetoder24 eller maskinlæringsmetoder25.
Sidst, men ikke mindst, skal forberedelsen af den flydende celle og rengøringen af væskeholderen udføres meget omhyggeligt for at undgå kontaminering af reaktionsmediet.
Generelt giver kontrol af prøvens temperatur under LCTEM-analyser mulighed for at undersøge termiske virkninger på kemiske reaktioner, der opstår ved grænsefladen mellem faste stoffer og væsker. Derfor håber vi, at den nuværende metode baner vejen for andre in situ TEM-eksperimenter designet til at afsløre dynamikken i hårde, bløde eller biologiske materialer i temperaturstyrede flydende medier.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender taknemmeligt den økonomiske støtte fra regionen Ile-de-France (konvention SESAME E1845 for JEOL ARM 200 F elektronmikroskop installeret på Universitetet i Paris), Labex SEAM (GLOIRE Project) og CNRS (Defi Nano Program). Vi takker Madeline Dukes og Daniel Franck for at dele skemaer og optiske billeder af de flydende celler ses i figur 1 og 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 |