Жидкости клеточной просвечивающей электронной микроскопии для отслеживания самостоятельной сборки наночастиц
Summary
Здесь мы представляем экспериментальные протоколы для реального времени наблюдения самосборки процесса с помощью жидкости клеточной просвечивающей электронной микроскопии.
Abstract
Сушка Дисперсия наночастиц является универсальным способом создания собственн-собранные структур наночастиц, но полностью не понимается механизм этого процесса. Мы проследили траекторий отдельных наночастиц с помощью жидкости клеточной просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА) исследовать механизм процесса сборки. Здесь, мы представляем протоколы, используемые для исследования жидких клеточной ТЕА самосборки механизм. Во-первых мы представляем подробные синтетические протоколы, используемые для производить равномерно размера платины и привести селенид наночастиц. Далее мы представляем микротехнологий процессы, используемые для производства жидкого клетки с силиконовой windows или нитрида кремния и затем описать загрузки и визуализации процедуры метода ТЕА жидкости клеток. Некоторые примечания включены предоставить полезные советы для всего процесса, включая как управлять windows хрупкие клетки. Отдельных движений наночастиц, отслеживаемая жидкость клеточной ТЕА показал, что изменения в растворитель границы, вызванных испарения повлияли самостоятельной сборки процессов наночастиц. Растворитель границы поехали наночастиц главным образом формы аморфного агрегатов, следуют уплощение агрегатов производить собственн-собранные структуру двухмерный (2D). Эти поведения наблюдаются для типов различных наночастиц и различных композиций жидкость клеток.
Introduction
Самостоятельной сборки, коллоидное наночастиц представляет интерес потому, что он предоставляет возможность доступа к коллективной физические свойства отдельных наночастиц11. Одним из наиболее эффективных методов самостоятельной сборки в практических устройств-приложений используется самоорганизации наночастиц на подложке через испарение летучих растворителей6,7,8,, 9 , 10 , 11. Этот метод испарения растворителя является неравновесных процесс, который во многом влиянием кинетической таких факторов, как скорость испарения и изменения в наночастиц субстрат взаимодействий. Однако поскольку трудно оценить и контролировать кинетическими факторами, механистического понимания наночастиц самостоятельной сборки путем испарения растворителя не полностью зрелые. Хотя в situ рентгеновского рассеяния исследования предоставили информацию, составляет в среднем ансамбль неравновесных наночастиц самостоятельной сборки процесс12,13,14, эта техника не может определить движение отдельных наночастиц и их ассоциации с общей траектории не может быть легко доступен.
Жидкости клеточной ТЕА является новым инструментом для отслеживания траектории отдельные наночастицы, позволяет нам понять неоднородности наночастиц движений и их вклада в ансамбль поведения15,16, 17,18,19,20,21,,2223,24,25, 26. Ранее мы использовали жидкость клеточной ТЕА для отслеживания движения отдельных наночастиц во время испарения растворителя, показывая, что движение растворитель границы является основной движущей силой для стимулирования наночастиц самосборки на субстрат18 , 19. в настоящем документе, мы представляем эксперименты, где мы можем наблюдать процесс наночастиц, самостоятельной сборки с помощью жидкости клеточной ТЕА. Во-первых мы предоставляем протоколы для синтеза платины и привести селенид наночастиц, до введения процедур изготовления клеток жидкости для ТЕА и как загружать наночастиц в жидкость клетку. Как представитель результаты мы показать снимок изображения из фильмов ТЕА наночастиц самосборки обусловлен растворителя сушки. Путем отслеживания индивидуальных частиц в этих фильмах, мы можем понять подробные механизмы растворителя сушка опосредованной самостоятельной сборки на уровне одного наночастиц. Во время самостоятельной сборки, Платиновый наночастиц на окне нитрида кремния главным образом следовать за движением испарения растворителя фронта из-за сильного капиллярных сил, действующих на тонкий слой растворителя. Аналогичные явления отмечались для других наночастиц (селенид свинца) и подложек (кремний), указав, что капиллярные силы растворителя Фронт является важным фактором миграции частиц вблизи подложке.
Protocol
Representative Results
Discussion
Платиновый наночастиц с размером 7 Нм были синтезированы через сокращение Гексахлороплатинат аммония (IV) и аммония Тетрахлороплатинат (II) с помощью поли (винилпирролидона) (PVP) как лиганд и этиленгликоля как растворитель и восстанавливающего агента в27 . Лиганд обмен реакции…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим профессора A. Пол Alivisatos в университете Калифорнии, Беркли и профессор Taeghwan Хен в Сеульском национальном университете за полезные обсуждения. Эта работа была поддержана IBS-R006-D1. W.C.L. с признательностью отмечает поддержку от Фонда исследований университета Ханьянг (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).
