Microscopia elettronica in trasmissione di liquidi-cellula per l'inseguimento auto-assemblaggio delle nanoparticelle
Summary
Qui introduciamo protocolli sperimentali per l’osservazione in tempo reale di un processo auto-assemblaggio mediante microscopia elettronica a trasmissione di liquido-cella.
Abstract
Una dispersione di nanoparticelle di essiccazione è un modo versatile per creare strutture auto-assemblate di nanoparticelle, ma il meccanismo di questo processo completamente non è capito. Noi abbiamo tracciato le traiettorie delle singole nanoparticelle mediante microscopia elettronica a trasmissione di liquido-cella (TEM) per studiare il meccanismo del processo assembleare. Qui, presentiamo i protocolli usati per liquidi-cella TEM del meccanismo di auto-assemblaggio. In primo luogo, vi presentiamo i protocolli dettagliati di sintetici utilizzati per produrre dimensione platino e nanoparticelle di seleniuro di piombo. Successivamente, vi presentiamo i processi di microfabbricazione utilizzati per produrre le cellule di liquide con nitruro di silicio o silicio windows e poi descrivere il carico e le procedure della tecnica liquido-cella TEM di imaging. Varie note sono incluse per fornire consigli utili per l’intero processo, incluse le modalità di gestione delle finestre della cella fragile. I singoli movimenti di nanoparticelle rilevate da liquido-cella TEM ha rivelato che cambiamenti nei confini solventi causati da evaporazione influenzato il processo auto-assemblaggio delle nanoparticelle. I confini di solventi ha spinto le nanoparticelle a principalmente aggregati amorfi di forma, seguiti da appiattimento degli aggregati per produrre una struttura auto-assemblata di 2-dimensionale (2D). Questi comportamenti si osservano anche per tipi diversi di nanoparticelle e diverse composizioni di liquido-cella.
Introduction
L’auto-assemblaggio di nanoparticelle colloidali è di interesse perché offre l’opportunità di accedere a proprietà fisiche collettive di singole nanoparticelle11. Uno dei metodi più efficaci di auto-assemblaggio usato in applicazioni pratiche su scala periferica è auto-organizzazione delle nanoparticelle su un substrato mediante evaporazione di un solvente volatile6,7,8, 9 , 10 , 11. questo metodo di evaporazione del solvente è un processo di non-equilibrio, che è in gran parte influenzato da fattori cinetici come tasso di evaporazione e cambiamenti nelle interazioni di nanoparticelle-substrato. Tuttavia, poiché è difficile da stimare e controllare i fattori cinetici, la comprensione meccanicistica di nanoparticella autoassemblaggio di evaporazione del solvente non è completamente matura. Sebbene in situ x-ray scattering studi abbiano fornito informazioni una media di ensemble del nonequilibrium nanoparticella autoassemblaggio processo12,13,14, questa tecnica non può determinare il moto delle singole nanoparticelle, e la loro associazione con la traiettoria complessiva non può essere facilmente accessibili.
Liquido-cella TEM è uno strumento emergente per tracciare la traiettoria di singole nanoparticelle, permettendoci di capire la disomogeneità dei moti delle nanoparticelle e il loro contributo a ensemble comportamenti15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. In precedenza abbiamo usato liquido-cella TEM per tracciare il movimento di singole nanoparticelle durante l’evaporazione del solvente, mostrando che il movimento del solvente limite è un’importante forza trainante per l’induzione della nanoparticella auto-assemblaggio su un substrato18 , 19. nel presente documento, vi presentiamo gli esperimenti dove possiamo osservare il processo di auto-assemblaggio utilizzando liquido-cella TEM di nanoparticelle. In primo luogo, forniamo protocolli per la sintesi di platino e piombo seleniuro nanoparticelle, prima di introdurre le procedure di fabbricazione di liquido-cellule per TEM e come caricare le nanoparticelle in liquido-cella. Come risultati rappresentativi, mostriamo immagini snapshot da film TEM di nanoparticella autoassemblaggio guidato da essiccamento solvente. Di monitoraggio delle singole particelle in questi film, possiamo capire i meccanismi dettagliati di solvente-asciugatura-mediata self-assembly a livello di singola nanoparticella. Durante l’auto-assemblaggio, le nanoparticelle di platino sulla finestra di nitruro di silicio seguono principalmente il movimento del fronte del solvente d’evaporazione a causa delle forti forze capillari agendo sul sottile strato solvente. Fenomeni simili sono stati osservati anche per altri substrati (silicio), che indica che la forza capillare del fronte del solvente è un fattore importante nella migrazione delle particelle nei pressi di un substrato e nanoparticelle (seleniuro di piombo).
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanoparticelle di platino con una dimensione di 7 nm sono stati sintetizzati attraverso la riduzione di ammonio esacloroplatinato (IV) ed ammonio tetrachloroplatinate (II) utilizzando poli (vinilpirrolidone) (PVP) come un ligando e il glicole etilenico come un solvente e un agente riducente27 . Una reazione di ligando-scambio con oleilammina è stata effettuata per disperdere le particelle in un solvente idrofobo. Le nanoparticelle di seleniuro di piombo sono state sintetizzate attraverso la decom…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo la Prof. ssa A. Paul Alivisatos presso la University of California, Berkeley e Prof. ssa Taeghwan Hyeon alla Seoul National University per la discussione utile. Questo lavoro è stato supportato da IBS-R006-D1. W.C.L. riconosce con gratitudine il sostegno del fondo di ricerca di Hanyang University (HY-2015-N).
Materials
| ammonium hexachloroplatinate (IV) | Sigma-Aldrich | 204021 | |
| ammonium tetrachloroplatinate (II) | Sigma-Aldrich | 206105 | |
| tetramethylammonium bromide, 98% | Sigma-Aldrich | 195758 | |
| poly(vinylpyrrolidone) powder | Sigma-Aldrich | 234257 | Mw ~29,000 |
| ethylene glycol, anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 324558 | |
| n-hexane, anhydrous, 95% | Samchun Chem. | H0114 | |
| ethanol, anhydrous, 99.5% | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| oleylamine, 70% | Sigma-Aldrich | O7805 | Technical grade |
| lead(II) acetate trihydrate, 99.99% | Sigma-Aldrich | 467863 | |
| oleic acid, 90% | Sigma-Aldrich | 364525 | Technical grade |
| diphenyl ether, 99% | Sigma-Aldrich | P24101 | ReagentPlus |
| selenium powder, 99.99% | Sigma-Aldrich | 229865 | |
| tri-n-octylphosphine, 97% | Strem | 15-6655 | Air sensistive |
| Toluene, anhydrous, 99.9% | Samchun Chem. | T2419 | |
| acetone 99.8% | Daejung Chem. | 1009-2304 | |
| potassium hydroxide, 95% | Samchun Chem. | P0925 | |
| p-type silicon-on-insulator wafers | Soitec | Power-SOI | for liquid cells with silicon windows |
| tetramethylammonium hydroxide, 25% in H2O | J.T.Baker | 02-002-109 | |
| AZ 5214 E | AZ Electronic Materials | AZ 5214 E | Positive photorest |
| AZ-327 | AZ Electronic Materials | AZ-327 | AZ 5214 develper |
| indium pellets 99.98-99.99% | Kurt J. Lesker Company | EVMIN40EXEB | thermal evaporator target |
| 1,2-dichlorobenzene, >99% | TCI | D1116 | |
| pentadecane, >99% | Sigma-Aldrich | P3406 | |
| buffered oxide etch 7:1 | microchemicals | BOE 7-1 VLSI | |
| phosphoric acid, 85% | Samchun Chem. | P0449 |
References
- Shevchenko, E. V., Talapin, D. V., Kotov, N. A., O’Brien, S., Murray, C. B. Structural Diversity in Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 439, 55-59 (2006).
- Talapin, D. V., et al. Quasicrystalline Order in Self-Assembled Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 461, 964-967 (2009).
- Evers, W. H., Friedrich, H., Filion, L., Dijkstra, M., Vanmaekelbergh, D. Observation of a Ternary Nanocrystal Superlattice and Its Structural Characterization by Electron Tomography. Angew. Chem., Int. Ed. 48, 9655-9657 (2009).
- Maillard, M., Motte, L., Pileni, M. P. Rings and Hexagons Made of Nanocrystals. Adv. Mater. 13, 200-204 (2001).
- Sztrum, C. G., Rabani, E. Out-of-Equilibrium Self-Assembly of Binary Mixtures of Nanoparticles. Adv. Mater. 18, 565-571 (2006).
- Han, W., Lin, Z. Learning From "coffee Rings": Ordered Structures Enabled by Controlled Evaporative Self-Assembly. Angew. Chem., Int. Ed. 51, 1534-1546 (2012).
- Bigioni, T. P., et al. Kinetically Driven Self Assembly of Highly Ordered Nanoparticle Monolayers. Nat. Mater. 5, 265-270 (2006).
- Govor, L. V., Reiter, G., Parisi, J., Bauer, G. H. Self-Assembled Nanoparticle Deposits Formed at the Contact Line of Evaporating Micrometer-Size Droplets. Phys. Rev. E. 69, 61609 (2004).
- Kletenik-Edelman, O., et al. Drying-Mediated Hierarchical Self-Assembly of Nanoparticles: A Dynamical Coarse-Grained Approach. J. Phys. Chem. C. 112, 4498-4506 (2008).
- Kletenik-Edelman, O., Sztrum-Vartash, C. G., Rabani, E. Coarse-Grained Lattice Models for Drying-Mediated Self-Assembly of Nanoparticles. J. Mater. Chem. 19, 2872-2876 (2009).
- Rabani, E., Reichman, D. R., Geissler, P. L., Brus, L. E. Drying-mediated self-assembly of nanoparticles. Nature. 426, 271-274 (2003).
- Loubat, A., et al. Growth and Self-Assembly of Ultrathin Au Nanowires into Expanded Hexagonal Superlattice Studied by in Situ SAXS. Langmuir. 30, 4005-4012 (2014).
- Connolly, S., Fullam, S., Korgel, B., Fitzmaurice, D. Time-Resolved Small-Angle X-Ray Scattering Studies of Nanocrystal Superlattice Self-Assembly. J. Am. Chem. Soc. 120, 2969-2970 (1998).
- Lu, C., Akey, A. J., Dahlman, C. J., Zhang, D., Herman, I. P. Resolving the Growth of 3D Colloidal Nanoparticle Superlattices by Real-Time Small-Angle X-Ray Scattering. J. Am. Chem. Soc. 134, 18732-18738 (2012).
- Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Lett. 9, 2460-2465 (2009).
- Jungjohann, K. L., Bliznakov, S., Sutter, P. W., Stach, E. A., Sutter, E. A. In Situ Liquid Cell Electron Microscopy of the Solution Growth of Au-Pd Core-Shell Nanostructures. Nano Lett. 13, 2964-2970 (2013).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. ACS Nano. 6, 2078-2085 (2012).
- Lee, W. C., Kim, B. H., Choi, S., Takeuchi, S., Park, J. Liquid Cell Electron Microscopy of Nanoparticle Self-Assembly Driven by Solvent Drying. J. Phys. Chem. Lett. 8, 647-654 (2017).
- Park, J., et al. 3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy. Science. 349, 290-295 (2015).
- Chee, S. W., Baraissov, Z., Loh, N. D., Matsudaira, P. T., Mirsaidov, U. Desorption-Mediated Motion of Nanoparticles at the Liquid-Solid Interface. J. Phys. Chem. C. 120, 20462-20470 (2016).
- Liu, Y., Lin, X. -. M., Sun, Y., Rajh, T. In Situ Visualization of Self-Assembly of Charged Gold Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 135, 3764-3767 (2013).
- Verch, A., Pfaff, M., de Jonge, N. Exceptionally Slow Movement of Gold Nanoparticles at a Solid/Liquid Interface Investigated by Scanning Transmission Electron Microscopy. Langmuir. 31, 6956-6964 (2015).
- Sutter, E., et al. In Situ Microscopy of the Self-Assembly of Branched Nanocrystals in Solution. Nat. Commun. 7, 11213 (2016).
- Niu, K. -. Y., Liao, H. -. G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquid Using Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (70), e50122 (2012).
- Hermannsdörfer, J., de Jonge, N. Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (120), e54943 (2017).
- Tsung, C. K., et al. Sub-10 nm Platinum Nanocrystals with Size and Shape Control: Catalytic Study for Ethylene and Pyrrole Hydrogenation. J. Am. Chem. Soc. 131, 5816-5822 (2009).
- Cho, K. S., Talapin, D. V., Gaschler, W., Murray, C. B. Designing PbSe Nanowires and Nanorings through Oriented Attachment of Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 127, 7140-7147 (2005).
- Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., Alivisatos, A. P. Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals. J. Vis. Exp. (82), e50731 (2013).
- Woehl, T. J., et al. Experimental Procedures to Mitigate Electron Beam Induced Artifacts During in situ Fluid Imaging of Nanomaterials. Ultramicroscopy. 127, 53-63 (2013).
- Shin, D., et al. Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells. Nat. Commun. 6, 6068 (2015).
