Temperaturkontroll under væskefase elektronmikroskopieksperimenter åpner opp nye perspektiver for å studere dynamikken i nanopartikler i flytende miljøer som etterligner deres dannelse eller applikasjonsmedier. Ved hjelp av nylig utviklede varmevæskeceller observerte vi direkte påvirkningen av temperatur på nukleasjons- og vekstprosessene til gull nanopartikler i vann.
Temperaturkontroll er en nylig utvikling som gir en ekstra grad av frihet til å studere nanokjemi ved flytende celleoverføringselektronmikroskopi. I dette dokumentet beskriver vi hvordan du forbereder et in situ oppvarmingseksperiment for å studere effekten av temperatur på dannelsen av gull nanopartikler drevet av radiolyse i vann. Eksperimentets protokoll er ganske enkel med en spesiell væskecelle med ensartede oppvarmingsmuligheter opp til 100 °C, en væskecelle TEM-holder med strømningsegenskaper og et integrert grensesnitt for å kontrollere temperaturen. Vi viser at nukleasjons- og vekstmekanismene til gull nanopartikler påvirkes drastisk av temperaturen i væskecellen. Ved hjelp av REAL-avbildning og nanodifffraksjon avsløres utviklingen av tettheten, størrelsen, formen og atomstrukturen til de voksende nanopartiklene i sanntid. Automatiserte bildebehandlingsalgoritmer utnyttes til å trekke ut nyttige kvantitative data fra videosekvenser, for eksempel kjernedannelse og vekstrater for nanopartikler. Denne tilnærmingen gir nye innganger for å forstå de komplekse fysisk-kjemiske prosessene som spilles under væskefasesyntesen av nanomaterialer.
Metall nanopartikler (NPs) har lovende fysisk-kjemiske egenskaper som kan brukes i ulike domener som optisk sensing1,medisin2 eller energi3. Våtkjemisk syntese er en svært allsidig metode for å fremstille metall-NPs med veldefinert størrelse og form. I løpet av de siste tiårene har mange strategier blitt utviklet for å få kontroll over NPs syntese: frømediert vekst4, ansiktsblokkerende metode5, kinetisk kontrollert syntese6, selektiv etsning7 eller temperaturkontrollert syntese8. Men mens de kjemiske reaksjonene som driver syntesen er ganske enkle, er nukleasjons- og vekstmekanismene ikke, fordi mange parametere spiller en rolle i formasjonsprosessene, og deres individuelle innflytelse er vanskelig å hente fra ex situ øyeblikksbilder av de resulterende nanomaterialer hentet fra deres formasjonsmedium på gitte tidspunkter for syntesen. For å virkelig forstå nukleasjons- og vekstprosessene og etablere måter å kontrollere dem på, må vi bruke in situ-verktøy som tillater deres sanntidsobservasjon i fint kontrollert flytende miljø.
I den forbindelse har Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy (LCTEM) vært en svært kraftig metode for å kaste nytt lys på syntesen av metalliske nanopartikler9,10,11,12,13. Ved å forestille seg dynamikken i individuelle nanostrukturer direkte i deres flytende formasjonsmedier, har denne teknikken gitt en dypere forståelse av kjernedannelse og vekstmekanismer, spesielt rollen som krystallfeil, frømorfologi og organiske ligander som tillater drivende retningsvekst eller etsningsprosesser og oppnå nanomaterialer med bestemte former (nanoroder, nanostjerner, nanoplater, nanoskall)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Når elektronstrålen til en TEM samhandler med væsker, produserer radiolyseprosesser sterke reduksjons- og oksidasjonsarter som endrer løsningskjemien i det bestrålede området og kan brukes til å drive vekst- eller etsningsprosesser. Interessant er konsentrasjonen av radiolytiske produkter kjent for å øke med elektrondosehastigheten, en parameter som kan finjusteres i et elektronmikroskop20. Derfor har denne dosefrekvensavhengigheten av radiolyse blitt utnyttet til å kontrollere reaksjonshastigheten og avsløre kinetiske effekter på dannelsesprosessene og endelig morfologi av nanostrukturer11,15,20.
Selv om temperaturen er en avgjørende parameter i nanomaterialer syntese, har effektene så langt ikke blitt nøye undersøkt av LCTEM, fordi kommersielle væskeceller med pålitelig temperaturkontroll bare nylig er utviklet. Likevel er slike in situ-studier uunnværlige for å avdekke de komplekse kinetikk- og termodynamiske effektene som induseres av temperaturendringer. Faktisk, på den ene siden øker temperaturen har drastiske konsekvenser på faceting prosesser under veksten, øker atomisk og molekylær diffusjon i væske og endrer reaksjonshastighetene. På den annen side er nanofasediagrammet av nanostrukturer også svært følsomt for temperatur. I denne artikkelen utnytter vi nylig utviklede varmevæskeceller for å følge den radiolytiske veksten av gull nanopartikler i vann med temperaturkontroll mellom romtemperatur og 100 °C. Denne metodikken som kombinerer realfagsavbildning og diffraksjon i et miljø som nærmer seg og nærmere de virkelige synteseforholdene, reduserer gapet mellom in situ TEM-observasjoner og benkskalasyntetiser.
Den beskrevne protokollen gjør det mulig å følge kjernen og veksten av gull nanopartikler drevet av radiolyse i et temperaturkontrollert flytende medium. Kombinert med automatisert videobehandling tillater det å måle effekten av temperaturen på viktige parametere for nanopartikkelsyntese som tetthet, størrelse, form og atomstruktur av nanopartikler. Disse verdifulle inngangene gjør det mulig å evaluere effekten av temperaturen på nukleasjons- og vekstratene, oppdage mulige faseoverganger og visualisere fasettprosessene som dikterer det endelige resultatet av kolloidale løsninger. Sammen med muligheten til å kontrollere sammensetningen av de reaktive mediene, er temperaturkontrollert væskecelle TEM et annet skritt mot direkte observasjon av nukleasjons- og vekstprosessene til ulike nanostrukturer under realistiske synteseforhold. Tolkningen av resultatene som presenteres i denne artikkelen og deres sammenligning med nukleasjons- og vekstmodeller vil bli diskutert andre steder. Her ønsker vi å synliggjøre flere metodiske aspekter som må vurderes for å gjennomføre relevante in situ TEM-eksperimenter.
Først av alt er det avgjørende å identifisere elektronstråleeffektene i reaksjonsmediet fordi de kan påvirke resultatene av eksperimentet drastisk. Her, som vannradiolyse er drivkraften til nanopartikkeldannelse, øker veksthastigheten raskt med elektrondosehastigheten som vil påvirke den endelige formen på nanoobjekter11,15. Derfor, for å studere effekten av temperaturen på kjernedannelse og vekst av nanopartikler, er det nødvendig å sammenligne vekstforsøk oppnådd med samme elektrondosehastighet. I STEM-modus tilsvarer elektrondosehastigheten strålestrømmen (i elektron per sekund) delt på bildestørrelsen (i nm2). Derfor innebærer en konstant elektrondosehastighet å opprettholde samme strålestrøm (dvs. samme kondensatoråpning og samme spotstørrelse) og samme forstørrelse for hvert eksperiment. Det er viktig å kvantifisere strålestrømmen til bildeforholdene ved hjelp av et CCD-kamera eller en Faraday-kopp for å tolke og reprodusere dataene. Forstørrelsen og den resulterende doseringshastigheten bør velges i henhold til om man ønsker å visualisere veksten av en stor montering av nanopartikler for å trekke ut statistisk relevante resultater på vekstkinetikken (figur 5) eller vekstmekanismene på enkelt nanopartikkelskalaen for å identifisere preferanse adsorpsjonsstedene på nanopartikkeloverflatene (figur 10). Hvis nukleasjons- og vekstprosessene er for raske, spesielt ved høy forstørrelse, bør liten kondensatoråpning og liten spotstørrelse velges for å minimere doseringshastigheten. Kjernen og veksten av nanopartikler kan også avta ved å redusere konsentrasjonen av metallforløper i den analyserte løsningen, men vær oppmerksom på at konsentrasjonen av radiolytiske produkter vil øke med temperaturen. Generelt er det også viktig å ta hensyn til elektronbestrålingshistorien til hele prøven. Her, for eksempel, hvis flere veksteksperimenter raskt utføres i områder nær hverandre, vil tettheten av nanopartikler avta over tid fordi konsentrasjonen av gullforløpere i det studerte området reduseres. Denne effekten kan minimeres ved å skille veksteksperimentene både i rom og tid og ved å bruke væskeholderen i strømningsmodus.
Grensesnittsporingsalgoritmer er ekstremt nyttige for å automatisere analysen av videoer og trekke ut kvantitative resultater på kjernen og veksten av store nanopartikler. Det er imidlertid verdt å merke seg at bilde-binariseringstrinnet alltid er dataspesifikk, noe som betyr at filtrene og databehandlingen som må brukes på bilder for å optimalisere deteksjonen av nanopartikkelen / væskegrensesnittet, vil variere fra et eksperiment til et annet. Videre er det viktig å sammenligne resultatene av disse automatiserte analysene med manuelle målinger utført på noen få bilder for å optimalisere arbeidsflyten for bildebehandling og for å kjenne begrensningene. Her induserer for eksempel flere spredningshendelser i de stadig tykkere 3D-nanopartiklene dannet ved høy temperatur en kontrastinversjon av kjernen etter 30 sekunder observasjon fordi vinkelforlengingen av spredte elektroner resulterer i en reduksjon av det oppsamlede signalet i vinkelområdet til den ringformede detektoren. For å fortsette å måle det sanne overflatearealet til disse nanopartiklene, brukte vi en “fyllhull” dataprosess etter binariseringen av bildet som fyller den indre sirkelen av ringformkontraster (Figur 7F,G). Vi måtte imidlertid bruke en liten dilatasjon av objektene for å sikre at disse ringformkontrastene alltid er fullt forbundet. Dette siste trinnet fører til en liten overvurdering av gjennomsnittlig overflateareal av nanopartikler i de automatiserte målingene (figur 9). På samme måte, for påvisning av nanopartikler, må vi definere en minimal størrelse på oppdagede objekter (Smim) for å unngå å oppdage støyen, men denne parameteren påvirker den målte kjernefrekvensen. Som vist i figur 8, øker antall oppdagede nanopartikler i begynnelsen av eksperimentet for å nå et platå. Når Smin er stor (50 piksler2 tilsvarende 1543 nm2), blir automatiske og manuelle målinger avtalt på nivået av dette platået (835 nanopartikler etter 60 sekunder), men påvisning av nanopartikler er forsinket i den automatiske analysen siden 835 nanopartikler telles manuelt etter bare 12 s, men oppdages ikke automatisk før senere. Denne utvidede deteksjonstiden fører til en undervurdering av kjernefrekvensen. Reduksjon av Smin ned til 20 piksler2 (dvs. 617 nm2) reduserer feilen på kjernetid for nanopartikkelenheten, men det fører til en overvurdering av nanopartikkeltettheten spesielt i det tidlige stadiet av forsøkene (figur 8) som også påvirker kjernefrekvensen. Deteksjonen og størrelses- og formmålingene til nanoobjekter med svært dynamisk oppførsel og lavt signal-til-støy-forhold er en vanlig utfordring i væskefase TEM som kan forbedres ytterligere ved hjelp av andre segmenterings- og denoisingsmetoder24 eller maskinlæringsmetoder25.
Sist, men ikke minst, må forberedelsen av væskecellen og rengjøringen av væskeholderen utføres svært nøye for å unngå forurensninger av reaksjonsmediet.
Generelt gir kontroll av temperaturen i prøven under LCTEM-analyser muligheten til å undersøke termiske effekter på kjemiske reaksjoner som oppstår ved grensesnittet mellom faste stoffer og væsker. Derfor håper vi at den nåværende metoden baner vei for andre in situ TEM-eksperimenter designet for å avsløre dynamikken i harde, myke eller biologiske materialer i temperaturkontrollerte flytende medier.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkjenner takknemlig den økonomiske støtten til Region Ile-de-France (konvensjonEN SESAME E1845 for JEOL ARM 200 F elektronmikroskop installert ved Universitetet i Paris), Labex SEAM (GLOIRE Project) og CNRS (Defi Nano Program). Vi takker Madeline Dukes og Daniel Franck for å ha delt skjemaene og de optiske bildene av væskecellene sett 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 |