Microscopia eletrônica de transmissão de líquido-celular para rastreamento auto-montagem de nanopartículas
Summary
Aqui apresentamos os protocolos experimentais para a observação em tempo real de um processo Self-assembly usando microscopia eletrônica de transmissão de células líquido.
Abstract
Uma dispersão de nanopartículas de secagem é uma forma versátil para criar estrutura própria montada de nanopartículas, mas o mecanismo deste processo não é totalmente compreendido. Nós rastreou as trajetórias de nanopartículas individuais usando microscopia eletrônica de transmissão de líquido-célula (TEM) para investigar o mecanismo do processo de montagem. Neste documento, apresentamos os protocolos utilizados para estudos de temperatura líquido-célula do mecanismo de auto-montagem. Primeiro, apresentamos os protocolos sintéticos detalhados para produzir tamanho uniforme platina e chumbo Seleneto de nanopartículas. Em seguida, apresentamos os processos microfabrication usados para produzir células líquidas com nitreto de silício ou silício windows e em seguida, descrever o carregamento e os procedimentos da técnica TEM líquido-célula de imagem. Várias notas são incluídas para fornecer dicas úteis para o processo inteiro, incluindo como gerenciar o windows celular frágil. Os movimentos individuais das nanopartículas controladas pela célula de líquido TEM revelaram que mudanças nos limites causadas pela evaporação solventes afetado a auto-montagem processo de nanopartículas. Os limites de solventes até nanopartículas principalmente formulário amorfo agregados, seguidos pelo achatamento dos agregados para produzir uma estrutura de self montada 2-dimensional (2D). Esses comportamentos são também observados por nanopartículas de diferentes tipos e diferentes composições de líquido-célula.
Introduction
A auto-montagem de nanopartículas coloidais é de interesse porque ele fornece uma oportunidade para acessar propriedades físicas coletivas de nanopartículas individuais11. Um dos métodos mais eficazes de auto-montagem usado em aplicativos de dispositivo prático-escala é auto-organização das nanopartículas sobre um substrato através da evaporação de um solvente volátil6,7,8, 9 , 10 , 11. este método de evaporação do solvente é um processo de aproximações, que em grande parte é influenciado por fatores cinéticos como a taxa de evaporação e mudanças nas interações de nanopartículas-substrato. No entanto, uma vez que é difícil de estimar e controlar os fatores cinéticos, a compreensão mecanicista de nanopartículas auto-montagem por evaporação de solvente não está totalmente maduro. Embora em situ estudos de espalhamento de raios-x têm fornecido informações ensemble-média de aproximações a nanopartículas auto-montagem processo12,13,14, esta técnica não pode determinar o movimento de nanopartículas individuais, e sua associação com a trajetória global não pode ser facilmente acessada.
TEM líquido-celular é uma ferramenta emergente para acompanhar a trajetória de nanopartículas individuais, permitindo-nos compreender a homogeneidade das moções de nanopartículas e sua contribuição para ensemble comportamentos15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. Temos anteriormente usado líquido-célula TEM para rastrear o movimento de nanopartículas individuais durante a evaporação do solvente, mostrando que o movimento da fronteira solvente é uma grande força motriz para indução de nanopartículas Self-assembly em um substrato18 , 19. neste documento, apresentamos experiências onde podemos observar o processo de nanopartículas auto-montagem usando líquido-célula TEM. Primeiro, podemos fornecer protocolos para a síntese de platina e levar Seleneto de nanopartículas, antes de introduzir os procedimentos de fabricação de líquido-células para TEM e como carregar nanopartículas em células da líquido. Como resultados representativos, mostramos imagens de instantâneo de filmes TEM de nanopartículas auto-montagem impulsionado por solvente de secagem. Pelo rastreamento de partículas individuais nestes filmes, podemos entender os mecanismos detalhados de solvente de secagem-mediada Self-assembly em um nível único de nanopartículas. Self-assembly, as nanopartículas de platina na janela de nitreto de silício principalmente sigam durante o movimento da evaporação solvente frente por causa das fortes forças capilares agindo sobre a fina camada de solvente. Fenômenos semelhantes foram observados também para outras nanopartículas (selenieto de chumbo) e substratos (silício), indicando que a força capilar de frente da solvente é um fator importante na migração de partículas perto de um substrato.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanopartículas de platina com um tamanho de 7 nm foram sintetizados através da redução de hexachloroplatinate de amónio (IV) e de amónio tetrachloroplatinate (II) usando poli (vinilpirrolidona) (PVP) como um ligante e glicol de etileno como um solvente e um agente redutor27 . Realizou-se uma reação de ligante-intercâmbio com oleylamine para dispersar as partículas em um solvente hidrofóbica. Nanopartículas de Seleneto de chumbo foram sintetizadas através da decomposição térmica de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos o Prof A. Paul Alivisatos da Universidade da Califórnia, Berkeley e Prof Taeghwan Hyeon na Universidade Nacional de Seul para a discussão útil. Este trabalho foi apoiado pela IBS-R006-D1. W.C.L. agradece o apoio do fundo de pesquisa da Universidade de Hanyang (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).
