Il controllo della temperatura durante gli esperimenti di microscopia elettronica in fase liquida apre nuove prospettive di studio della dinamica delle nanoparticelle in ambienti liquidi imitandone la formazione o i mezzi applicativi. Utilizzando celle liquide riscaldanti di recente sviluppo, abbiamo osservato direttamente l’influenza della temperatura sui processi di nucleazione e crescita delle nanoparticelle d’oro nell’acqua.
Il controllo della temperatura è uno sviluppo recente che fornisce un ulteriore grado di libertà di studio della nanochimica mediante microscopia elettronica a trasmissione a celle liquide. In questo articolo, descriviamo come preparare un esperimento di riscaldamento in situ per studiare l’effetto della temperatura sulla formazione di nanoparticelle d’oro guidate dalla radiolisi in acqua. Il protocollo dell’esperimento è abbastanza semplice che coinvolge una speciale cella liquida con capacità di riscaldamento uniformi fino a 100 °C, un supporto TEM a celle liquide con capacità di flusso e un’interfaccia integrata per il controllo della temperatura. Mostriamo che i meccanismi di nucleazione e crescita delle nanoparticelle d’oro sono drasticamente influenzati dalla temperatura nelle cellule liquide. Utilizzando l’imaging STEM e la nanodiffrazione, l’evoluzione della densità, delle dimensioni, della forma e della struttura atomica delle nanoparticelle in crescita viene rivelata in tempo reale. Gli algoritmi di elaborazione automatizzata delle immagini vengono sfruttati per estrarre dati quantitativi utili da sequenze video, come la nucleazione e i tassi di crescita delle nanoparticelle. Questo approccio fornisce nuovi input per comprendere i complessi processi fisico-chimici in gioco durante la sintesi in fase liquida dei nanomateriali.
Le nanoparticelle metalliche (NP) hanno proprietà fisico-chimiche promettenti che possono essere utilizzate in vari settori come il rilevamentoottico 1,lamedicina 2 o l’energia3. La sintesi chimico-umida è un metodo molto versatile per fabbricare NP metallici con dimensioni e forma ben definite. Negli ultimi decenni, sono state sviluppate molte strategie per ottenere il controllo sulla sintesi dei PNP: crescita mediata dal seme4,metodo di bloccofacciale 5,sintesi controllata cineticamente6,incisione selettiva7 o sintesi a temperaturacontrollata 8. Tuttavia, mentre le reazioni chimiche che guidano la sintesi sono abbastanza semplici, i meccanismi di nucleazione e crescita non lo sono, perché molti parametri svolgono un ruolo nei processi di formazione e la loro influenza individuale è difficile da recuperare dalle istantanee ex situ dei nanomateriali risultanti estratti dal loro mezzo di formazione in dati punti di tempo della sintesi. Per comprendere veramente i processi di nucleazione e crescita e stabilire modi per controllarli, dobbiamo impiegare strumenti in situ che consentano la loro osservazione in tempo reale in un ambiente liquido finemente controllato.
A questo proposito, la microscopia elettronica a trasmissione a celle liquide (LCTEM) è stato un metodo molto potente per gettare nuova luce sulla sintesi delle nanoparticelle metalliche9,10,11,12,13. Imaging della dinamica delle singole nanostrutture direttamente nei loro mezzi di formazione di liquidi, questa tecnica ha fornito una comprensione più profonda dei meccanismi di nucleazione e crescita, in particolare il ruolo dei difetti cristallini, della morfologia dei semi e dei ligandi organici che consentono di guidare processi di crescita direzionale o incisione e ottenere nanomateriali con forme specifiche (nanorodi, nanostelle, nanopiastrine, nanogusci)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Quando il fascio di elettroni di un TEM interagisce con i liquidi, i processi di radiolisi producono forti specie riducenti e ossidanti che modificano la chimica della soluzione nell’area irradiata e possono essere utilizzati per guidare i processi di crescita o incisione. È interessante notare che la concentrazione di prodotti radiolitici è nota per aumentare con l’intensità di dose elettronica, un parametro che può essere finemente sintonizzato in un microscopioelettronico 20. Pertanto, questa dipendenza da dose-intensità di radiolisi è stata sfruttata per controllare la velocità di reazione e rivelare effetti cinetici sui processi di formazione e sulla morfologia finale delle nanostrutture11,15,20.
Sebbene la temperatura sia un parametro cruciale nella sintesi dei nanomateriali, i suoi effetti non sono stati finora attentamente studiati da LCTEM, perché le celle liquide commerciali con un controllo affidabile della temperatura sono state sviluppate solo di recente. Tuttavia, tali studi in situ sono indispensabili per svelare la cinetica complessa e gli effetti termodinamici inducono da variazioni di temperatura. Infatti, da un lato l’aumento della temperatura ha impatti drastici sui processi di sfaccettature durante la crescita, accelera la diffusione atomica e molecolare nel liquido e modifica i tassi di reazione. D’altra parte, il diagramma nanofase delle nanostrutture è anche molto sensibile alla temperatura. In questo articolo, sfruttiamo le celle liquide riscaldanti recentemente sviluppate per seguire la crescita radiolitica delle nanoparticelle d’oro in acqua con un controllo della temperatura tra la temperatura ambiente e i 100 °C. Questa metodologia che combina l’imaging STEM e la diffrazione in un ambiente sempre più vicino alle condizioni di sintesi reali riduce il divario tra osservazioni TEM in situ e sintesi su scala da banco.
Il protocollo descritto consente di seguire la nucleazione e la crescita delle nanoparticelle d’oro guidate dalla radiolisi in un supporto liquido a temperatura controllata. Combinato con l’elaborazione video automatizzata, consente di misurare l’effetto della temperatura sui parametri chiave della sintesi delle nanoparticelle come la densità, le dimensioni, la forma e la struttura atomica delle nanoparticelle. Questi preziosi input consentono di valutare l’effetto della temperatura sui tassi di nucleazione e crescita, rilevando possibili transizioni di fase e visualizzando i processi di sfaccettature che dettano il risultato finale delle soluzioni colloidali. Insieme alla possibilità di controllare la composizione del supporto reattivo, il TEM a celle liquide a temperatura controllata è un altro passo verso l’osservazione diretta dei processi di nucleazione e crescita di varie nanostrutture in condizioni di sintesi realistiche. L’interpretazione dei risultati presentati in questo articolo e il loro confronto con i modelli di nucleazione e crescita saranno discussi altrove. A questo punto, vogliamo evidenziare diversi aspetti metodologici che devono essere considerati per condurre esperimenti TEM in situ pertinenti.
Prima di tutto, è fondamentale identificare gli effetti del fascio di elettroni nei mezzi di reazione perché possono influenzare drasticamente i risultati dell’esperimento. Qui, poiché la radiolisi dell’acqua è la forza trainante della formazione di nanoparticelle, la velocità di crescita aumenta rapidamente con l’intensità di dose elettronica che avrà un impatto sulla forma finale dei nano-oggetti11,15. Pertanto, per studiare gli effetti della temperatura sulla nucleazione e sulla crescita delle nanoparticelle, è necessario confrontare gli esperimenti di crescita acquisiti con la stessa dose di elettroni. In modalità STEM, l’intensità di dose elettronica corrisponde alla corrente del fascio (in elettrone al secondo) divisa per la dimensione dell’immagine (in nm2). Pertanto, un’intensità di dose elettronica costante implica di mantenere la stessa corrente del fascio (cioè la stessa apertura del condensatore e la stessa dimensione dello spot) e lo stesso ingrandimento per ogni esperimento. Quantificare la corrente del fascio delle condizioni di imaging utilizzando una telecamera CCD o una tazza Faraday è importante per interpretare e riprodurre i dati. L’ingrandimento e l’intensità di dose risultante devono essere selezionati a seconda che si desideri visualizzare la crescita di un grande assemblaggio di nanoparticelle per estrarre risultati statisticamente rilevanti sulla cinetica della crescita (Figura 5) o sui meccanismi di crescita su scala di nanoparticelle singola per identificare i siti di adsorbimento preferenziali sulle superfici delle nanoparticelle(figura 10). Se i processi di nucleazione e crescita sono troppo rapidi, in particolare ad alto ingrandimento, è necessario selezionare una piccola apertura del condensatore e piccole dimensioni dello spot per ridurre al minimo l’intensità di dose. La nucleazione e la crescita delle nanoparticelle possono anche rallentare riducendo la concentrazione di precursore metallico nella soluzione analizzata, ma si noti che la concentrazione di prodotti radiolitici aumenterà con la temperatura. In generale, è anche importante tenere conto della storia dell’irradiazione elettronica dell’intero campione. Qui, ad esempio, se diversi esperimenti di crescita vengono rapidamente eseguiti in aree vicine l’una all’altra, la densità delle nanoparticelle diminuirà nel tempo perché la concentrazione di precursori dell’oro nell’area studiata diminuisce. Questo effetto può essere ridotto al minimo separando gli esperimenti di crescita sia nello spazio che nel tempo e utilizzando il porta liquidi in modalità flusso.
Gli algoritmi di tracciamento dell’interfaccia sono estremamente utili per automatizzare l’analisi dei video ed estrarre risultati quantitativi sulla nucleazione e la crescita di grandi assiemi di nanoparticelle. Tuttavia, vale la pena notare che il passaggio di binarizzazione dell’immagine è sempre specifico dei dati, il che significa che i filtri e l’elaborazione dei dati che devono essere applicati sulle immagini per ottimizzare il rilevamento dell’interfaccia nanoparticella / liquido varieranno da un esperimento all’altro. Inoltre, è essenziale confrontare i risultati di queste analisi automatizzate con misurazioni manuali eseguite su alcune immagini per ottimizzare il flusso di lavoro di elaborazione delle immagini e conoscerne i limiti. Qui, ad esempio, eventi di scattering multipli nelle nanoparticelle 3D sempre più spesse formate ad alta temperatura inducono un’inversione di contrasto del loro nucleo dopo 30 secondi di osservazione perché l’allargamento angolare degli elettroni sparsi si traduce in una diminuzione del segnale raccolto nell’intervallo angolare del rivelatore anulare. Per continuare a misurare la vera superficie di queste nanoparticelle, abbiamo utilizzato un processo di dati “riempimenti” dopo la binarizzazione dell’immagine che riempie il cerchio interno dei contrasti della forma dell’anello (Figura 7F, G). Tuttavia, abbiamo dovuto usare una piccola dilatazione degli oggetti per assicurarci che questi contrasti della forma dell’anello siano sempre completamente connessi. Quest’ultimo passaggio porta ad una leggera sopravvalutazione della superficie media delle nanoparticelle nelle misurazioni automatizzate (figura 9). Allo stesso modo, per il rilevamento di nanoparticelle, dobbiamo definire una dimensione minima di oggetti rilevati (Smim) per evitare di rilevare il rumore, ma questo parametro influisce sulla velocità di nucleazione misurata. Come si vede nella figura 8, il numero di nanoparticelle rilevate aumenta all’inizio dell’esperimento per raggiungere un altopiano. Quando Smin è grande (50 pixel2 corrispondenti a 1543 nm2), le misurazioni automatiche e manuali concordate sul livello di questo plateau (835 nanoparticelle dopo 60 secondi) ma il rilevamento delle nanoparticelle viene ritardato nell’analisi automatica poiché 835 nanoparticelle vengono conteggiate manualmente dopo solo 12 s, ma non vengono rilevate automaticamente fino a dopo. Questo tempo di rilevazione prolungato porta ad una sottovalutazione del tasso di nucleazione. Ridurre Smin fino a 20 pixel2 (cioè 617 nm2) riduce l’errore sul tempo di nucleazione dell’assemblaggio della nanoparticella, ma porta ad una sopravvalutazione della densità delle nanoparticelle in particolare nella fase iniziale degli esperimenti (Figura 8) che influisce anche sulla velocità di nucleazione. Il rilevamento e le misure di dimensioni e forma di nano-oggetti con un comportamento molto dinamico e un basso rapporto segnale/rumore è una sfida comune nel TEM in fase liquida che può essere ulteriormente migliorato utilizzando altri metodi di segmentazione e denoising24 o approcci di machine learning25.
Ultimo ma non meno importante, la preparazione della cella liquida e la pulizia del supporto liquido devono essere eseguite con molta attenzione per evitare contaminazioni dei mezzi di reazione.
In generale, il controllo della temperatura del campione durante le analisi LCTEM offre l’opportunità di studiare gli effetti termici sulle reazioni chimiche che si verificano all’interfaccia tra solidi e liquidi. Pertanto, speriamo che il metodo attuale apra la strada ad altri esperimenti TEM in situ progettati per rivelare la dinamica dei materiali duri, morbidi o biologici nei mezzi liquidi a temperatura controllata.
The authors have nothing to disclose.
Riconosciamo con gratitudine il sostegno finanziario della Regione Ile-de-France (convenzione SESAME E1845 per il microscopio elettronico JEOL ARM 200 F installato presso l’Università di Parigi), il Labex SEAM (Progetto GLOIRE) e il CNRS (Defi Nano Program). Ringraziamo Madeline Dukes e Daniel Franck per aver condiviso gli schemi e le immagini ottiche delle celle liquide viste nelle figure 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 |