Het bestuderen van de Effecten van Temperatuur op de Nucleatie en Groei van Nanodeeltjes door Vloeistof-Cel Transmissie Elektronenmicroscopie

Temperatuurregeling is een recente ontwikkeling die een extra mate van vrijheid biedt bij het bestuderen van nanochemie door elektronenmicroscopie van vloeibare celtransmissie, met name de vorming van gouden nanodeeltjes in oplossing. Deze methodologie maakt beeldvorming van de dynamiek van individuele nanostructuren in vloeistof mogelijk met grote controle over de samenstelling en temperatuur van de omgeving onder realistische synthetische omstandigheden. Interessant is dat deze methode kan worden gebruikt om de effecten van temperatuur op de structurele evolutie van zachte of biologische nanoobjecten in vloeibare omgevingen te bestuderen door hun vormings- of toepassingsmedium na te bootsen.

De belangrijkste succesfactoren voor vloeibare TEM-experimenten zijn een schoon monsterpreparaat en een overweging voor de elektronenbundeleffecten op de nanodeeltjesdynamiek. Voor de bereiding van vloeibare cellen vult u eerst een glazen petrischaal met aceton en een andere met methanol in een zuurkast. Plaats een kleine en een grote E-Chip in de aceton gedurende twee minuten voordat u beide chips twee minuten in de methanol beweegt.

Gebruik na het wassen van methanol een luchtpistool en een pincet om de cellen te drogen en gebruik een verrekijker of een optische microscoop om de integriteit van het siliciumnitridevenster te controleren. Als de chips intact zijn, reinigt u de E-Chips gedurende twee minuten met een mengsel van argon en zuurstofgas en plaatst u de pakking O-ringen in de vloeistofcelhouder. Plaats de kleine E-Chip in de vloeistofcelhouder en laat ongeveer twee microliters van het vloeistofmonster van belang op de chip vallen.

Verwijder met een scherp gesneden stuk filterpapier eventuele overtollige vloeistof uit de chip totdat de vloeibare druppel een platte koepel vormt en plaats de grote E-Chip op de kleine E-Chip voorkant naar beneden gericht. Schuif het deksel terug op de vloeistofcelhouder en draai elke schroef geleidelijk vast. Gebruik filterpapier om overtollige vloeistof uit de chips te verwijderen en draai de vloeistofcelhouder om zijn as om ervoor te zorgen dat alle vloeistof wordt opgevangen.

Test de vacuümafdichting van de vloeistofcel in een pompstation. Als het vacuümniveau van de pomp vijf keer 10 tot de negatieve twee pascals bereikt, controleer dan nog een laatste keer de integriteit van het siliciumnitridevenster en laad de vloeistofcelhouder op de microscoop. Om de stroommodus in te stellen, laadt u één spuit met de oplossing van belang en sluit u twee externe piekbuizen aan op de spuit.

Plaats de spuit op de spuitpomp en steek de externe piekbuizen in de ingangen van de vloeistofcelhouder. Plaats een extra externe piekbuis voor de uitgang van de vloeistofcelhouder. Injecteer vervolgens de oplossing in elke inlaat met een debiet van vijf microliters per minuut.

Om de vloeibare omgeving te verwarmen, opent u de verwarmingssoftware en kunt u de voeding inschakelen. Klik op de knop Apparaatcontrole en open het tabblad Experiment. Klik op Handmatig om de handmatige verwarmingsmodus te activeren en selecteer de beoogde temperatuur om de temperatuursnelheid te wijzigen die geschikt is voor het experiment.

Klik vervolgens op Toepassen om de E-Chips op de beoogde temperatuur te verwarmen. Om de radiolyse-aangedreven vorming van gouden nanodeeltjes met een goede signaal-ruisverhouding in STEM-HAADF-modus in beeld te brengen, identificeert u een ongerept gebied van het monster in de buurt van een hoek van het observatievenster waarin de vloeistofdikte minimaal is. Let op de beeldomstandigheden, waaronder de spotgrootte, de diafragmagrootte van de condensator en de vergroting om latere kalibratie van de elektronendosissnelheid en de cumulatieve elektronendosis die het geanalyseerde gebied bestraalt, mogelijk te maken.

Maak vervolgens video's van de groei van de nanodeeltjes bij verschillende temperaturen met behulp van dezelfde beeldvormingsomstandigheden. Voor een enkel nanodeeltje nanodiffractie, verwerf een STEM-HAADF-afbeelding van verschillende nanoobjecten en gebruik STEMx-software om het diffractiepatroon van individuele nanodeeltjes in het beeld te verkrijgen. Zoals waargenomen in deze twee STEM-HAADF-beeldreeksen, kan de groei van een zeer dichte verzameling kleine nanodeeltjes worden waargenomen bij lage temperaturen.

Bij hoge temperaturen worden een paar grote en goed gefacetteerd nanostructuren verkregen. Aangezien het contrast van STEM-HAADF-beelden evenredig is met de dikte van de gouden nanodeeltjes, kunnen twee populaties objecten worden waargenomen die tijdens deze groeiexperimenten zijn gevormd: sterk contrasterende 3D-nanodeeltjes en grote 2D-nanostructuren met een driehoekige of zeshoekige vorm en een lager contrast. Geautomatiseerde videoverwerking zoals aangetoond in deze methode maakt het mogelijk om de nucleatie- en groeisnelheden van nanodeeltjes te meten.

Bij lage temperaturen worden binnen enkele tientallen seconden na observatie meer dan 800 nanodeeltjes gevormd, terwijl slechts 30 nanodeeltjes in dezelfde hoeveelheid tijd bij een hoge temperatuur worden gevormd. Omgekeerd neemt het gemiddelde oppervlak van de nanodeeltjes 40 keer sneller toe bij 85 graden Celsius dan bij 25 graden Celsius. Hier kan het diffractiepatroon van twee gouden nanodeeltjes worden waargenomen die rechtstreeks uit een typische STEM-afbeelding zijn geselecteerd.

De gecentreerde kubieke structuur van goudgeoriënteerde lange aanzicht 001 en 112 zoneassen kan worden geïdentificeerd. Het bestuderen van de effecten van temperatuur op de nucleatie en groei van nanodeeltjes door vloeibare cel TEM vereist een vergelijking van video's die zijn verkregen met dezelfde elektronendosissnelheid, omdat radiolyse ook een impact heeft op de vorming van nanodeeltjes. Ex situ SEM- of TEM-karakteriseringen kunnen worden uitgevoerd na het loszetten van de vloeibare cel om de nanoobjectstructuren verder te analyseren.

Temperatuurgecontroleerde vloeistofcel TEM biedt de mogelijkheid om het effect van temperatuur op de vele andere chemische reacties te onderzoeken die optreden op het raakvlak tussen vaste stoffen en vloeistoffen, waardoor veel mogelijkheden in materialen, leven en aardwetenschappen worden geopend.