Badanie wpływu temperatury na zarodkowanie i wzrost nanocząstek za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji ciekłych komórek

Kontrola temperatury jest najnowszym osiągnięciem, które zapewnia dodatkowy stopień swobody w badaniu nanochemii za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji ciekłych komórek, w szczególności tworzenia nanocząstek złota w roztworze. Metodologia ta pozwala na obrazowanie dynamiki poszczególnych nanostruktur w cieczy z dużą kontrolą nad składem i temperaturą otoczenia w realistycznych warunkach syntetycznych. Co ciekawe, metoda ta może być wykorzystana do badania wpływu temperatury na ewolucję strukturalną miękkich lub biologicznych nanoobiektów w środowisku ciekłym poprzez naśladowanie ich powstawania lub stosowania pożywki.

Kluczowymi czynnikami sukcesu eksperymentów z ciekłym TEM są przygotowanie czystej próbki oraz uwzględnienie wpływu wiązki elektronów na dynamikę nanocząstek. Aby przygotować płynne komórki, najpierw napełnij jedną szklaną szalkę Petriego acetonem, a drugą metanolem w dygestorium. Umieść jeden mały i jeden duży E-chip w acetonie na dwie minuty, a następnie przenieś oba chipsy do metanolu na dwie minuty.

Po przepłukaniu metanolem użyj pistoletu pneumatycznego i pęsety, aby wysuszyć komórki i użyj lornetki lub mikroskopu optycznego, aby sprawdzić integralność okienka azotku krzemu. Jeśli wióry są nienaruszone, wyczyść plazmowo E-chipy mieszaniną argonu i tlenu przez dwie minuty i załaduj O-ringi uszczelki do uchwytu ogniwa cieczy. Umieść mały E-Chip w uchwycie na płynną kucię i upuść około dwóch mikrolitrów interesującej Cię próbki płynu na chip.

Za pomocą ostro przyciętego kawałka bibuły filtracyjnej usuń nadmiar płynu z chipa, aż kropla cieczy utworzy płaską kopułę i umieść duży E-Chip na małej przedniej stronie E-Chip skierowaną w dół. Wsuń pokrywkę z powrotem na uchwyt kuwety płynnej i stopniowo dokręcaj każdą. Użyj bibuły filtracyjnej, aby usunąć nadmiar płynu z wiórów, obracając uchwyt kuwety cieczy wokół własnej osi, aby upewnić się, że cała ciecz została wychwycona.

Przetestuj uszczelnienie próżniowe celi cieczowej w przepompowni. Jeśli poziom próżni pompy osiągnie pięć razy 10 do ujemnych dwóch paskal, sprawdź integralność okienka z azotku krzemu po raz ostatni i załaduj uchwyt ciekłej kutywy do mikroskopu. Aby ustawić tryb przepływu, załaduj jedną strzykawkę roztworem będącym przedmiotem zainteresowania i podłącz dwie zewnętrzne rurki szczytowe do strzykawki.

Umieścić strzykawkę na pompie strzykawkowej i włożyć zewnętrzne rurki szczytowe do wejść uchwytu kuwety cieczowej. Włóż jedną dodatkową zewnętrzną rurkę szczytową do wyjścia uchwytu kuwety cieczowej. Następnie wstrzyknąć roztwór do każdego wlotu z szybkością przepływu pięciu mikrolitrów na minutę.

Aby podgrzać środowisko ciekłe, otwórz oprogramowanie grzewcze i włącz zasilanie. Kliknij przycisk Device Check (Sprawdzanie urządzenia) i otwórz kartę Experiment (Eksperyment). Kliknij przycisk Manual (Ręcznie), aby aktywować ręczny tryb ogrzewania i wybierz temperaturę docelową, aby zmienić szybkość temperatury zgodnie z eksperymentem.

Następnie kliknij Zastosuj, aby podgrzać E-chipy do docelowej temperatury. Aby zobrazować powstawanie nanocząstek złota w wyniku radiolizy z dobrym stosunkiem sygnału do szumu, w trybie STEM-HAADF należy zidentyfikować nieskazitelny obszar próbki w pobliżu rogu okna obserwacyjnego, w którym grubość cieczy jest minimalna. Zwróć uwagę na warunki obrazowania, w tym rozmiar plamki, rozmiar apertury kondensora i powiększenie, aby umożliwić późniejszą kalibrację szybkości dawki elektronów i skumulowanej dawki elektronów naświetlających analizowany obszar.

Następnie nagraj filmy przedstawiające wzrost nanocząstek w różnych temperaturach przy użyciu tych samych warunków obrazowania. W przypadku nanodyfrakcji pojedynczej nanocząstki należy uzyskać obraz STEM-HAADF kilku nanoobiektów i użyć oprogramowania STEMx, aby uzyskać wzór dyfrakcyjny poszczególnych nanocząstek w obrazie. Jak zaobserwowano w tych dwóch seriach obrazów STEM-HAADF, wzrost bardzo gęstego zespołu małych nanocząstek można zaobserwować w niskich temperaturach.

W wysokich temperaturach uzyskuje się kilka dużych i dobrze fasetowanych nanostruktur. Ponieważ kontrast obrazów STEM-HAADF jest proporcjonalny do grubości nanocząstek złota, można zaobserwować dwie populacje obiektów powstałe podczas tych eksperymentów wzrostu: wysoce kontrastowe nanocząstki 3D i duże nanostruktury 2D o kształcie trójkątnym lub sześciokątnym i niższym kontraście. Zautomatyzowane przetwarzanie wideo, jak wykazano w tej metodzie, umożliwia pomiar zarodkowania i tempa wzrostu nanocząstek.

W niskich temperaturach w ciągu kilkudziesięciu sekund obserwacji powstaje ponad 800 nanocząstek, podczas gdy w tej samej ilości czasu w wysokiej temperaturze powstaje tylko 30 nanocząstek. I odwrotnie, średnia powierzchnia nanocząstek zwiększa się 40 razy szybciej w temperaturze 85 stopni Celsjusza niż w temperaturze 25 stopni. Tutaj można zaobserwować wzór dyfrakcyjny dwóch nanocząstek złota, które zostały wybrane bezpośrednio z typowego obrazu STEM.

Można zidentyfikować sześcienną strukturę zorientowaną na twarz osi stref 001 i 112 o orientacji na złoto. Badanie wpływu temperatury na zarodkowanie i wzrost nanocząstek przez TEM w komórkach ciekłych wymaga porównania filmów uzyskanych przy tej samej dawce elektronów, ponieważ radioliza ma również wpływ na powstawanie nanocząstek. Charakterystyki SEM lub TEM ex situ można przeprowadzić po rozszczelnieniu ciekłej komórki w celu dalszej analizy struktur nanoobiektów.

TEM z płynną komórką z kontrolowaną temperaturą daje możliwość zbadania wpływu temperatury na wiele innych reakcji chemicznych, które zachodzą na granicy faz ciał stałych i cieczy, otwierając wiele możliwości w materiałach, życiu i naukach o Ziemi.