Temperatuurregeling tijdens vloeistoffase-elektronenmicroscopie-experimenten opent nieuwe perspectieven voor het bestuderen van de dynamiek van nanodeeltjes in vloeibare omgevingen die hun vormings- of toepassingsmedia nabootsen. Met behulp van recent ontwikkelde verwarmingsvloeistofcellen hebben we direct de invloed van temperatuur op de nucleatie- en groeiprocessen van gouden nanodeeltjes in water waargenomen.
Temperatuurregeling is een recente ontwikkeling die een extra mate van vrijheid biedt om nanochemie te bestuderen door elektronenmicroscopie van vloeibare celtransmissie. In dit artikel beschrijven we hoe we een in situ verwarmingsexperiment kunnen voorbereiden voor het bestuderen van het effect van temperatuur op de vorming van gouden nanodeeltjes aangedreven door radiolyse in water. Het protocol van het experiment is vrij eenvoudig met een speciale vloeistofcel met uniforme verwarmingscapaciteiten tot 100 °C, een TEM-houder met vloeistofcel met stroommogelijkheden en een geïntegreerde interface voor het regelen van de temperatuur. We laten zien dat de nucleatie- en groeimechanismen van gouden nanodeeltjes drastisch worden beïnvloed door de temperatuur in vloeibare cellen. Met behulp van STEM-beeldvorming en nanodiffractie worden de evolutie van de dichtheid, grootte, vorm en atoomstructuur van de groeiende nanodeeltjes in realtime onthuld. Geautomatiseerde beeldverwerkingsalgoritmen worden gebruikt om nuttige kwantitatieve gegevens uit videosequenties te extraheren, zoals de nucleatie- en groeisnelheden van nanodeeltjes. Deze aanpak biedt nieuwe input voor het begrijpen van de complexe fysisch-chemische processen die spelen tijdens de vloeistoffasesynthese van nanomaterialen.
Metalen nanodeeltjes (NPs) hebben veelbelovende fysisch-chemische eigenschappen die kunnen worden gebruikt in verschillende domeinen zoals optische detectie1, geneeskunde2 of energie3. Nat-chemische synthese is een zeer veelzijdige methode om metalen NPs te fabriceren met een goed gedefinieerde grootte en vorm. In de afgelopen decennia zijn veel strategieën ontwikkeld om controle te krijgen over de synthese van NPs: zaadgemedieerde groei4, gezichtsblokkeermethode5, kinetisch gecontroleerdesynthese 6, selectieve ets7 of temperatuurgecontroleerdesynthese 8. Hoewel de chemische reacties die de synthese aansturen vrij eenvoudig zijn, zijn de nucleatie- en groeimechanismen dat niet, omdat veel parameters een rol spelen in de vormingsprocessen en hun individuele invloed moeilijk te achterhalen is uit ex situ snapshots van de resulterende nanomaterialen die op bepaalde tijdstippen van de synthese uit hun vormingsmedium zijn geëxtraheerd. Om de nucleatie- en groeiprocessen echt te begrijpen en manieren te vinden om ze te beheersen, moeten we in situ tools gebruiken die hun realtime observatie in een fijn gecontroleerde vloeibare omgeving mogelijk maken.
In dat opzichten is liquid-cell transmission electron microscopie (LCTEM) een zeer krachtige methode geweest om nieuw licht te werpen op de synthese van metalen nanodeeltjes9,10,11,12,13. Door de dynamiek van individuele nanostructuren direct in hun vloeibare vormingsmedia in beeld te brengen, heeft deze techniek een dieper begrip gegeven van nucleatie- en groeimechanismen, met name de rol van kristaldefecten, zaadmorfologie en organische liganden die rijrichtingsgroei- of etsprocessen mogelijk maken en nanomaterialen met specifieke vormen (nanorods, nanosterren,nanoplaten,nanoschalen)10,11,12,13, 14,15,16. Wanneer de elektronenbundel van een TEM interageert met vloeistoffen, produceren radiolyseprocessen sterk reducerende en oxiderende soorten die de oplossingschemie in het bestraalde gebied wijzigen en kunnen worden gebruikt om groei- of etsprocessen te stimuleren. Interessant is dat het bekend is dat de concentratie van radiolytische producten toeneemt met de elektronendosissnelheid, een parameter die nauwkeurig kan worden afgestemd in een elektronenmicroscoop20. Daarom is deze dosis-rate afhankelijkheid van radiolyse benut om de reactiesnelheid te beheersen en kinetische effecten op de vormingsprocessen en de uiteindelijke morfologie van nanostructuren11,15,20te onthullen .
Hoewel de temperatuur een cruciale parameter is in de synthese van nanomaterialen, zijn de effecten ervan tot nu toe niet zorgvuldig onderzocht door LCTEM, omdat commerciële vloeistofcellen met betrouwbare temperatuurregeling pas onlangs zijn ontwikkeld. Toch zijn dergelijke in situ studies onmisbaar om de complexe kinetiek en thermodynamische effecten te ontrafelen die worden veroorzaakt door temperatuurveranderingen. Aan de ene kant heeft het verhogen van de temperatuur drastische gevolgen voor de facetprocessen tijdens de groei, versnelt het de atoom- en moleculaire diffusie in vloeistof en wijzigt het de reactiesnelheden. Aan de andere kant is het nanofasediagram van nanostructuren ook erg gevoelig voor temperatuur. In dit artikel maken we gebruik van recent ontwikkelde verwarmingsvloeistofcellen om de radiolytische groei van gouden nanodeeltjes in water te volgen met een temperatuurregeling tussen kamertemperatuur en 100 °C. Deze methodologie die STEM-beeldvorming en diffractie combineert in een omgeving die steeds dichter bij de echte syntheseomstandigheden komt, verkleint de kloof tussen TEM-observaties in situ en syntheses op bankschaal.
Het beschreven protocol maakt het mogelijk om de nucleatie en groei van gouden nanodeeltjes aangedreven door radiolyse in een temperatuurgeregeld vloeibaar medium te volgen. In combinatie met geautomatiseerde videoverwerking maakt het het mogelijk om het effect van de temperatuur te meten op belangrijke parameters van nanodeeltjessynthese, zoals de dichtheid, de grootte, de vorm en de atoomstructuur van nanodeeltjes. Deze waardevolle inputs maken het mogelijk om het effect van de temperatuur op de nucleatie- en groeisnelheden te evalueren, mogelijke faseovergangen te detecteren en de facetprocessen te visualiseren die het eindresultaat van colloïdale oplossingen bepalen. Samen met de mogelijkheid om de samenstelling van de reactieve media te controleren, is temperatuurgecontroleerde vloeibare cel TEM een volgende stap in de richting van de directe observatie van de nucleatie- en groeiprocessen van verschillende nanostructuren in realistische syntheseomstandigheden. De interpretatie van de resultaten in dit artikel en hun vergelijking met nucleatie- en groeimodellen zullen elders worden besproken. Hier willen we verschillende methodologische aspecten benadrukken die moeten worden overwogen om relevante TEM-experimenten in situ uit te voeren.
Allereerst is het cruciaal om de elektronenbundeleffecten in de reactiemedia te identificeren, omdat ze de resultaten van het experiment drastisch kunnen beïnvloeden. Hier, aangezien waterradiolyse de drijvende kracht is van nanodeeltjesvorming, neemt de groeisnelheid snel toe met de elektronendosissnelheid die de uiteindelijke vorm van nanoobjecten11,15zal beïnvloedt. Daarom is het noodzakelijk om groeiexperimenten die zijn verkregen met dezelfde elektronendosissnelheid te vergelijken om de effecten van de temperatuur op de nucleatie en groei van nanodeeltjes te bestuderen. In stemmodus komt de elektronendosissnelheid overeen met de bundelstroom (in elektron per seconde) gedeeld door de beeldgrootte (in nm2). Daarom impliceert een constante elektronendosissnelheid dat dezelfde bundelstroom (d.w.z. dezelfde condensatoropening en dezelfde vlekgrootte) en dezelfde vergroting voor elk experiment behouden blijft. Het kwantificeren van de stralingsstroom van de beeldomstandigheden met behulp van een CCD-camera of een Faraday-beker is belangrijk om de gegevens te interpreteren en te reproduceren. De vergroting en de daaruit voortvloeiende dosissnelheid moeten worden geselecteerd op basis van de vraag of men de groei van een grote verzameling nanodeeltjes wil visualiseren om statistisch relevante resultaten op de groeikinetiek te extraheren (figuur 5) of de groeimechanismen op de schaal van één nanodeeltjes om de voorkeursadvertentieplaatsen op de nanodeeltjesoppervlakken te identificeren (figuur 10). Als de nucleatie- en groeiprocessen te snel zijn, met name bij hoge vergroting, moeten kleine condensoropening en kleine spotgrootte worden geselecteerd om de dosissnelheid te minimaliseren. De nucleatie en groei van nanodeeltjes kan ook vertragen door de concentratie van metaalprecursor in de geanalyseerde oplossing te verminderen, maar merk op dat de concentratie van radiolytische producten zal toenemen met de temperatuur. In het algemeen is het ook belangrijk om rekening te houden met de elektronenbestralingsgeschiedenis van het hele monster. Hier, bijvoorbeeld, als verschillende groeiexperimenten snel worden uitgevoerd in gebieden dicht bij elkaar, zal de dichtheid van nanodeeltjes in de loop van de tijd afnemen omdat de concentratie van gouden precursoren in het bestudeerde gebied afneemt. Dit effect kan worden geminimaliseerd door de groeiexperimenten zowel in ruimte als tijd te scheiden en door de vloeistofhouder in stroommodus te gebruiken.
Interface-tracking algoritmen zijn uiterst nuttig om de analyse van video’s te automatiseren en kwantitatieve resultaten te extraheren op de nucleatie en groei van grote nanodeeltjesassemblages. Het is echter vermeldensgezegd dat de stap voor beeld binarisatie altijd gegevensspecifiek is, wat betekent dat de filters en de gegevensverwerking die op afbeeldingen moeten worden toegepast om de detectie van de nanodeeltjes / vloeibare interface te optimaliseren, van een experiment tot een ander zullen variëren. Bovendien is het essentieel om de resultaten van deze geautomatiseerde analyses te vergelijken met handmatige metingen die op een paar afbeeldingen worden uitgevoerd om de workflow voor beeldverwerking te optimaliseren en de beperkingen ervan te kennen. Hier veroorzaken bijvoorbeeld meerdere verstrooiingsgebeurtenissen in de steeds dikker wordende 3D-nanodeeltjes gevormd bij hoge temperatuur een contrastomkering van hun kern na 30 seconden observatie omdat de hoekverbreding van verspreide elektronen resulteert in een afname van het verzamelde signaal in het hoekbereik van de ringvormige detector. Om het ware oppervlak van deze nanodeeltjes te blijven meten, gebruikten we een “vulgaten” dataproces na de binarisatie van de afbeelding die de binnenste cirkel van ringvormcontrast vult(figuur 7F, G). We moesten echter een kleine verwijding van de objecten gebruiken om ervoor te zorgen dat deze ringvormcontrasts altijd volledig met elkaar verbonden zijn. Deze laatste stap leidt tot een lichte overwaardering van het gemiddelde oppervlak van nanodeeltjes in de geautomatiseerde metingen (figuur 9). Evenzo moeten we voor de detectie van nanodeeltjes een minimale grootte van gedetecteerde objecten (Smim) definiëren om te voorkomen dat het geluid wordt gedetecteerd, maar deze parameter beïnvloedt de gemeten nucleatiesnelheid. Zoals te zien is in figuur 8,neemt het aantal gedetecteerde nanodeeltjes aan het begin van het experiment toe om een plateau te bereiken. Wanneer Smin groot is (50 pixels2 overeenkomend met 1543 nm2),worden automatische en handmatige metingen overeengekomen op het niveau van dit plateau (835 nanodeeltjes na 60 seconden), maar de detectie van nanodeeltjes wordt vertraagd in de automatische analyse, omdat 835 nanodeeltjes handmatig worden geteld na slechts 12 s, maar pas later automatisch worden gedetecteerd. Deze langere detectietijd leidt tot een onderwaardering van de nucleatiesnelheid. Het verminderen van Smin tot 20 pixel2 (d.w.z. 617 nm2) vermindert de fout op de nucleatietijd van de nanodeeltjesassemblage, maar het leidt tot een overwaardering van de nanodeeltjesdichtheid, vooral in het vroege stadium van de experimenten (figuur 8) die ook de nucleatiesnelheid beïnvloedt. De detectie en de grootte- en vormmetingen van nanoobjecten met een zeer dynamisch gedrag en een lage signaal-ruisverhouding is een veel voorkomende uitdaging in vloeibare fase TEM die verder kan worden verbeterd met behulp van andere segmentatie- en denoisingmethoden24 of machine learning-benaderingen25.
Last but not least moeten de bereiding van de vloeibare cel en het reinigen van de vloeistofhouder zeer zorgvuldig worden uitgevoerd om verontreinigingen van de reactiemedia te voorkomen.
Over het algemeen biedt het regelen van de temperatuur van het monster tijdens LCTEM-analyses de mogelijkheid om thermische effecten op chemische reacties te onderzoeken die optreden op het raakvlak tussen vaste stoffen en vloeistoffen. Daarom hopen we dat de huidige methode de weg vrijmaakt voor andere TEM-experimenten in situ die zijn ontworpen om de dynamiek van harde, zachte of biologische materialen in temperatuurgecontroleerde vloeibare media te onthullen.
The authors have nothing to disclose.
Wij erkennen dankbaar de financiële steun van de regio Ile-de-France (conventie SESAME E1845 voor de JEOL ARM 200 F elektronenmicroscoop geïnstalleerd aan de Universiteit van Parijs), het Labex SEAM (GLOIRE Project) en het CNRS (Defi Nano Program). We danken Madeline Dukes en Daniel Franck voor het delen van de schema’s en de optische foto’s van de vloeibare cellen in figuur 1 en 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 |