通过液相透射电子显微镜研究温度对纳米颗粒成核与生长的影响

温度控制是近年来的一项新进展，它通过液体池透射电子显微镜研究纳米化学过程提供了额外的自由度，特别是溶液中金纳米颗粒的形成过程。该方法能够在接近实际合成条件的环境下，对液体中单个纳米结构的动态行为进行成像，并精确调控环境的组成和温度。有趣的是，该方法还可通过模拟软物质或生物纳米材料在液体环境中的形成过程或应用介质，用于研究温度对其结构演化的影响。

液体透射电子显微镜实验成功的关键因素在于样品制备的洁净程度，以及对电子束对纳米颗粒动力学影响的考量。在液体池制备过程中，首先在通风橱内将一个玻璃培养皿装入丙酮，另一个装入甲醇。将一小片和一大片 E-Chip 放入丙酮中浸泡两分钟，随后将两片芯片转移至甲醇中浸泡两分钟。

甲醇清洗后，使用气枪和镊子将芯片干燥，并使用双目放大镜或光学显微镜检查氮化硅窗口的完整性。若芯片完好无损，用氩气和氧气的混合气体对E-Chip进行两分钟的等离子清洗，然后将垫圈O型环装入液体池支架中。将小型E-Chip放入液体池支架内，并在芯片上滴加约2 µL感兴趣的液体样品。

使用裁剪锋利的滤纸，吸去芯片上多余的液体，直至液滴形成一个扁平的穹顶状，然后将大E-Chip正面朝下放置在小E-Chip上。将盖子重新滑入液体池支架中，并逐步拧紧每个螺丝。用滤纸吸去芯片上残留的多余液体，同时绕其轴线旋转液体池支架，确保所有液体均被吸除。

在抽气站中测试液体池的真空密封性。当泵的真空度达到5 × 10⁻² Pa时，最后一次检查氮化硅窗口的完整性，然后将液体池样品杆装入显微镜。为建立流动模式，用目标溶液填充一支注射器，并将两根外部峰管连接至该注射器。

将注射器置于注射泵上，并将外接峰管插入液体池支架的入口。为液体池支架的出口另接一根外接峰管。然后以每分钟5 µL的流速向每个入口注入溶液。

为加热液体环境，打开加热软件并启动电源。单击“设备检查”按钮，然后打开“实验”选项卡。单击“手动”以激活手动加热模式，并根据实验需求选择目标温度以调整升温速率。

然后点击“应用”以将E-Chip加热至目标温度。为了在STEM-HAADF模式下以良好的信噪比对辐射分解驱动形成的金纳米颗粒进行成像，请在观察窗口角落附近的样品区域中选择一个原始区域，该区域的液体厚度最小。记录成像条件，包括束斑大小、聚光镜光阑尺寸和放大倍数，以便后续校准照射到分析区域的电子剂量率和累积电子剂量。

然后在不同温度下使用相同的成像条件采集纳米颗粒生长过程的视频。对于单个纳米颗粒的纳米衍射，先获取多个纳米物体的STEM-HAADF图像，然后使用STEMx软件采集图像中单个纳米颗粒的衍射图样。从这两组STEM-HAADF图像序列中可以观察到，在较低温度下可观察到大量小纳米颗粒形成的致密聚集体的生长过程。

在高温条件下，可获得少量较大且晶面完整的纳米结构。由于STEM-HAADF图像的衬度与金纳米颗粒的厚度成正比，因此在这些生长实验中可观察到两类产物：一类是衬度较高的三维纳米颗粒，另一类是呈三角形或六边形的大尺寸二维纳米结构，其衬度较低。本方法所展示的自动化视频处理技术可用于测量纳米颗粒的成核速率与生长速率。

在低温条件下，观察的几十秒内会形成超过 800 个纳米颗粒，而在高温条件下相同时间内仅形成 30 个纳米颗粒。相反，纳米颗粒的平均表面积在 85 摄氏度下的增长速度比在 25 摄氏度下快 40 倍。此处可观察到直接从典型 STEM 图像中选取的两个金纳米颗粒的衍射图样。

可以观察到金的面心立方结构沿001和112晶带轴的取向长程视图。通过液相透射电子显微镜研究温度对纳米颗粒成核与生长的影响时，需要在相同电子剂量率下获取视频进行比较，因为辐射分解也会对纳米颗粒的形成产生影响。在打开液相池后，可进行离位的扫描电子显微镜或透射电子显微镜表征，以进一步分析纳米结构。

温度可控的液体池透射电子显微镜为研究温度对固-液界面发生的多种化学反应的影响提供了可能，在材料科学、生命科学和地球科学领域开辟了众多研究途径。