Étude des effets de la température sur la nucléation et la croissance des nanoparticules par microscopie électronique à transmission à cellules liquides

Le contrôle de la température est un développement récent qui offre un degré supplémentaire de liberté dans l’étude de la nanochimie par microscopie électronique à transmission de cellules liquides, notamment la formation de nanoparticules d’or en solution. Cette méthodologie permet d’imager la dynamique de nanostructures individuelles dans un liquide avec un grand contrôle sur la composition et la température de l’environnement dans des conditions synthétiques réalistes. Fait intéressant, cette méthode peut être utilisée pour étudier les effets de la température sur l’évolution structurelle des nanoobjectifs mous ou biologiques dans des environnements liquides en imitant leur formation ou leur milieu d’application.

Les facteurs clés de succès pour les expériences tem liquides sont une préparation d’échantillon propre et une considération pour les effets de faisceau d’électrons sur la dynamique des nanoparticules. Pour la préparation des cellules liquides, remplissez d’abord une boîte de Petri en verre avec de l’acétone et une autre avec du méthanol dans une hotte. Placez une petite et une grande puce électronique dans l’acétone pendant deux minutes avant de déplacer les deux puces dans le méthanol pendant deux minutes.

Après le lavage au méthanol, utilisez un pistolet à air comprimé et une pince à épiler pour sécher les cellules et utilisez une loupe binoculaire ou un microscope optique pour vérifier l’intégrité de la fenêtre en nitrure de silicium. Si les copeaux sont intacts, le plasma nettoie les E-Chips avec un mélange d’argon et d’oxygène gazeux pendant deux minutes et charge les joints toriques du joint dans le support de la cellule liquide. Placez la petite puce électronique dans le support de la cellule liquide et déposez environ deux microlitres de l’échantillon liquide d’intérêt sur la puce.

À l’aide d’un morceau de papier filtre fortement coupé, retirez tout excès de liquide de la puce jusqu’à ce que la gouttelette liquide forme un dôme plat et placez la grande puce électronique sur la petite face avant de la puce électronique vers le bas. Faites glisser le couvercle sur le support de la cellule liquide et serrez progressivement chaque vis. Utilisez du papier filtre pour éliminer tout excès de liquide des copeaux, en faisant pivoter le support de la cellule liquide autour de son axe pour vous assurer que tout le liquide est capturé.

Tester l’étanchéité sous vide de la cellule liquide dans une station de pompage. Si le niveau de vide de la pompe atteint cinq fois 10 à moins deux pascals, vérifiez une dernière fois l’intégrité de la fenêtre de nitrure de silicium et chargez le support de cellule liquide sur le microscope. Pour configurer le mode d’écoulement, chargez une seringue avec la solution d’intérêt et connectez deux tubes de crête externes à la seringue.

Placez la seringue sur la pompe à seringue et insérez les tubes de crête externes dans les entrées du support de cellule liquide. Insérez un tube de crête externe supplémentaire pour la sortie du support de cellule liquide. Injectez ensuite la solution dans chaque entrée à un débit de cinq microlitres par minute.

Pour chauffer l’environnement liquide, ouvrez le logiciel de chauffage et mettez sous tension l’alimentation. Cliquez sur le bouton Device Check (Vérification de l’appareil) et ouvrez l’onglet Experiment (Expérience) Cliquez sur Manual (Manuel) pour activer le mode de chauffage manuel et sélectionnez la température ciblée pour modifier le taux de température en fonction de l’expérience.

Cliquez ensuite sur Appliquer pour chauffer les E-Chips à la température ciblée. Pour imager la formation par radiolyse de nanoparticules d’or avec un bon rapport signal/bruit, en mode STEM-HAADF, identifiez une zone vierge de l’échantillon près d’un coin de la fenêtre d’observation dans lequel l’épaisseur du liquide est au minimum. Notez les conditions d’imagerie, y compris la taille du spot, la taille de l’ouverture du condenseur et le grossissement pour permettre l’étalonnage ultérieur du débit de dose d’électrons et de la dose cumulative d’électrons irradiant la zone analysée.

Ensuite, acquérez des vidéos de la croissance des nanoparticules à différentes températures en utilisant les mêmes conditions d’imagerie. Pour une nanodiffraction de nanoparticules unique, acquérir une image STEM-HAADF de plusieurs nanoobjecteurs et utiliser le logiciel STEMx pour acquérir le modèle de diffraction de nanoparticules individuelles dans l’image. Comme observé dans ces deux séries d’images STEM-HAADF, la croissance d’un assemblage très dense de petites nanoparticules peut être observée à basse température.

Alors qu’à des températures élevées, quelques nanostructures grandes et bien facettées sont obtenues. Comme le contraste des images STEM-HAADF est proportionnel à l’épaisseur des nanoparticules d’or, deux populations d’objets formées au cours de ces expériences de croissance peuvent être observées: des nanoparticules 3D très contrastées et de grandes nanostructures 2D avec une forme triangulaire ou hexagonale et un contraste plus faible. Le traitement vidéo automatisé tel que démontré dans cette méthode permet de mesurer la nucléation et les taux de croissance des nanoparticules.

À basse température, plus de 800 nanoparticules se forment en quelques dizaines de secondes d’observation, alors que seulement 30 nanoparticules se forment dans le même laps de temps à une température élevée. À l’inverse, la surface moyenne des nanoparticules augmente 40 fois plus vite à 85 degrés Celsius qu’à 25. Ici, le motif de diffraction de deux nanoparticules d’or qui ont été sélectionnées directement à partir d’une image STEM typique peut être observé.

La structure cubique centrée sur la face des axes de zone 001 et 112 orientés vers l’or peut être identifiée. L’étude des effets de la température sur la nucléation et la croissance des nanoparticules par TEM à cellules liquides nécessite une comparaison des vidéos acquises avec le même débit de dose d’électrons car la radiolyse a également un impact sur la formation de nanoparticules. Des caractérisations EX SITU SEM ou TEM peuvent être effectuées après le dessealing de la cellule liquide pour analyser plus en détail les structures des nanoobjectifs.

La TEM à cellules liquides à température contrôlée offre l’occasion d’étudier l’effet de la température sur les nombreuses autres réactions chimiques qui se produisent à l’interface entre les solides et les liquides, ouvrant ainsi de nombreuses perspectives dans les matériaux, la vie et les sciences de la Terre.