Studiare gli effetti della temperatura sulla nucleazione e la crescita delle nanoparticelle mediante microscopia elettronica a trasmissione a celle liquide

Il controllo della temperatura è uno sviluppo recente che fornisce un ulteriore grado di libertà nello studio della nanochimica mediante microscopia elettronica a trasmissione a celle liquide, in particolare la formazione di nanoparticelle d'oro in soluzione. Questa metodologia consente l'imaging della dinamica delle singole nanostrutture in liquido con grande controllo sulla composizione e sulla temperatura dell'ambiente in condizioni sintetiche realistiche. È interessante notare che questo metodo può essere utilizzato per studiare gli effetti della temperatura sull'evoluzione strutturale di nanooggetti morbidi o biologici in ambienti liquidi imitandone la formazione o il mezzo di applicazione.

I fattori chiave di successo per gli esperimenti TEM liquidi sono una preparazione pulita del campione e una considerazione per gli effetti del fascio di elettroni sulla dinamica delle nanoparticelle. Per la preparazione a celle liquide, prima riempire una piastra di Petri di vetro con acetone e un'altra con metanolo in una cappa aspirante. Posizionare un piccolo e uno grande E-Chip nell'acetone per due minuti prima di spostare entrambi i trucioli nel metanolo per due minuti.

Dopo il lavaggio del metanolo, utilizzare una pistola ad aria compressa e una pinzetta per asciugare le cellule e utilizzare una lente d'ingrandimento binoculare o un microscopio ottico per verificare l'integrità della finestra del nitruro di silicio. Se i trucioli sono intatti, il plasma pulisce gli E-Chips con una miscela di argon e gas ossigeno per due minuti e carica gli O-ring della guarnizione nel supporto della cella liquida. Posizionare il piccolo E-Chip nel supporto della cella liquida e far cadere circa due microlitri del campione liquido di interesse sul chip.

Utilizzando un pezzo di carta filtrante tagliato bruscamente, rimuovere il liquido in eccesso dal chip fino a quando la goccia liquida forma una cupola piatta e posizionare il grande E-Chip sul piccolo lato anteriore dell'E-Chip rivolto verso il basso. Far scorrere il coperchio sul supporto della cella liquida e stringere gradualmente ogni vite. Utilizzare la carta da filtro per rimuovere il liquido in eccesso dai trucioli, ruotando il supporto della cella liquida attorno al suo asse per assicurarsi che tutto il liquido sia catturato.

Testare la sigillatura sottovuoto della cella liquida in una stazione di pompaggio. Se il livello di vuoto della pompa raggiunge cinque volte 10 ai due pascal negativi, verificare l'integrità della finestra del nitruro di silicio un'ultima volta e caricare il supporto della cella liquida al microscopio. Per impostare la modalità di flusso, caricare una siringa con la soluzione di interesse e collegare due tubi di picco esterni alla siringa.

Posizionare la siringa sulla pompa della siringa e inserire i tubi di picco esterni nelle voci del supporto per celle liquide. Inserire un tubo di picco esterno aggiuntivo per l'uscita del supporto a celle liquide. Quindi iniettare la soluzione in ogni ingresso ad una portata di cinque microlitri al minuto.

Per riscaldare l'ambiente liquido, aprire il software di riscaldamento e alimentare l'alimentatore. Fare clic sul pulsante Controllo dispositivo e aprire la scheda Esperimento. Fare clic su Manuale per attivare la modalità di riscaldamento manuale e selezionare la temperatura di destinazione per modificare la velocità di temperatura in base all'esperimento.

Quindi fare clic su Applica per riscaldare gli E-Chips alla temperatura di destinazione. Per immagine della formazione guidata dalla radiolisi di nanoparticelle d'oro con un buon rapporto segnale-rumore, in modalità STEM-HAADF, identificare un'area incontaminata del campione vicino a un angolo della finestra di osservazione in cui lo spessore del liquido è al minimo. Si notano le condizioni di imaging, tra cui la dimensione dello spot, la dimensione dell'apertura del condensatore e l'ingrandimento per consentire la successiva calibrazione dell'intensità di dose elettronica e la dose cumulativa di elettroni che irradia l'area analizzata.

Quindi acquisire video della crescita delle nanoparticelle a temperature diverse utilizzando le stesse condizioni di imaging. Per una singola nanodiffrazione di nanoparticelle, acquisire un'immagine STEM-HAADF di diversi nanooggetti e utilizzare il software STEMx per acquisire il modello di diffrazione delle singole nanoparticelle all'interno dell'immagine. Come osservato in queste due serie di immagini STEM-HAADF, la crescita di un assemblaggio molto denso di piccole nanoparticelle può essere osservata a basse temperature.

Mentre ad alte temperature, si ottengono alcune nanostrutture grandi e ben sfaccettate. Poiché il contrasto delle immagini STEM-HAADF è proporzionale allo spessore della nanoparticella d'oro, si possono osservare due popolazioni di oggetti formati durante questi esperimenti di crescita: nanoparticelle 3D altamente contrastate e grandi nanostrutture 2D con una forma triangolare o esagonale e un contrasto inferiore. L'elaborazione video automatizzata come dimostrato in questo metodo consente di misurare la nucleazione e i tassi di crescita delle nanoparticelle.

A basse temperature, più di 800 nanoparticelle si formano entro poche decine di secondi dall'osservazione, mentre solo 30 nanoparticelle si formano nella stessa quantità di tempo ad alta temperatura. Al contrario, la superficie media delle nanoparticelle aumenta 40 volte più velocemente a 85 gradi Celsius rispetto a 25. Qui, si può osservare il modello di diffrazione di due nanoparticelle d'oro che sono state selezionate direttamente da una tipica immagine STEM.

È possibile identificare la struttura cubica centrata sulla faccia degli assi di zona 001 e 112 orientati all'oro. Lo studio degli effetti della temperatura sulla nucleazione e sulla crescita delle nanoparticelle da parte del TEM a celle liquide richiede un confronto dei video acquisiti con la stessa dose di elettroni perché la radiolisi ha anche un impatto sulla formazione di nanoparticelle. Le caratterizzazioni SEM o TEM ex situ possono essere eseguite dopo aver sigillato la cella liquida per analizzare ulteriormente le strutture dei nanooggetti.

Il TEM a celle liquide a temperatura controllata offre l'opportunità di indagare l'effetto della temperatura sulle molte altre reazioni chimiche che si verificano all'interfaccia tra solidi e liquidi, aprendo molte strade nei materiali, nella vita e nelle scienze della Terra.