Estudando os efeitos da temperatura na nucleação e crescimento de nanopartículas por microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas

O controle de temperatura é um desenvolvimento recente que fornece um grau adicional de liberdade no estudo da nanoquímica por microscopia eletrônica de transmissão celular líquida, notadamente a formação de nanopartículas de ouro em solução. Esta metodologia permite a imagem da dinâmica das nanoestruturas individuais em líquido com grande controle sobre a composição e temperatura do ambiente em condições sintéticas realistas. Curiosamente, este método pode ser usado para estudar os efeitos da temperatura sobre a evolução estrutural de nanoobjetos macios ou biológicos em ambientes líquidos imitando sua formação ou meio de aplicação.

Os principais fatores de sucesso para experimentos tem líquidos são uma preparação de amostra limpa e uma consideração para os efeitos do feixe de elétrons na dinâmica das nanopartículas. Para a preparação de células líquidas, primeiro encha uma placa de Petri de vidro com acetona e outra com metanol em um capô de fumaça. Coloque um pequeno e um E-Chip grande no acetona por dois minutos antes de mover ambas as lascas para o metanol por dois minutos.

Após a lavagem do metanol, use uma pistola de ar e pinças para secar as células e use uma lupa binóculo ou um microscópio óptico para verificar a integridade da janela de nitreto de silício. Se os chips estiverem intactos, o plasma limpe os E-Chips com uma mistura de argônio e gás oxigênio por dois minutos e carregue os anéis o da junta no suporte da célula líquida. Coloque o pequeno E-Chip no suporte de células líquidas e solte aproximadamente dois microliters da amostra líquida de juros sobre o chip.

Usando um pedaço de papel filtro cortado bruscamente, remova qualquer excesso de líquido do chip até que a gotícula líquida forme uma cúpula plana e coloque o grande E-Chip no pequeno lado frontal E-Chip voltado para baixo. Deslize a tampa de volta para o suporte da célula líquida e aperte gradualmente cada parafuso. Use papel filtro para remover qualquer excesso de líquido dos chips, girando o suporte de células líquidas ao redor de seu eixo para garantir que todo o líquido seja capturado.

Teste a vedação a vácuo da célula líquida em uma estação de bombeamento. Se o nível de vácuo da bomba atingir cinco vezes 10 aos dois pascals negativos, verifique a integridade da janela de nitreto de silício uma última vez e carregue o suporte de célula líquida no microscópio. Para configurar o modo de fluxo, carregue uma seringa com a solução de interesse e conecte dois tubos de pico externos à seringa.

Coloque a seringa na bomba de seringa e insira os tubos de pico externos nas entradas do suporte da célula líquida. Insira um tubo de pico externo adicional para a saída do suporte da célula líquida. Em seguida, injete a solução em cada entrada a uma taxa de fluxo de cinco microliters por minuto.

Para aquecer o ambiente líquido, abra o software de aquecimento e ligue a fonte de alimentação. Clique no botão Verificar o dispositivo e abra a guia Experimentar. Clique em Manual para ativar o modo de aquecimento manual e selecione a temperatura alvo para alterar a taxa de temperatura conforme apropriado para o experimento.

Em seguida, clique em Aplicar para aquecer os E-Chips à temperatura alvo. Para imaginar a formação radiolíse de nanopartículas de ouro com uma boa relação sinal-ruído, no modo STEM-HAADF, identifique uma área intocada da amostra perto de um canto da janela de observação em que a espessura líquida está no mínimo. Observe as condições de imagem, incluindo o tamanho da mancha, o tamanho da abertura do condensador e a ampliação para permitir a calibração subsequente da taxa de dose de elétrons e a dose de elétrons cumulativo irradiando a área analisada.

Em seguida, adquira vídeos do crescimento das nanopartículas em temperaturas diferentes usando as mesmas condições de imagem. Para uma única nanopartícula nanodifração, adquira uma imagem STEM-HAADF de vários nanoobjetos e use o software STEMx para adquirir o padrão de difração de nanopartículas individuais dentro da imagem. Como observado nestas duas séries de imagens STEM-HAADF, o crescimento de uma montagem muito densa de pequenas nanopartículas pode ser observado a baixas temperaturas.

Enquanto em altas temperaturas, algumas grandes e bem facetadas nanoestruturas são obtidas. Como o contraste das imagens STEM-HAADF é proporcional à espessura das nanopartículas de ouro, duas populações de objetos formados durante esses experimentos de crescimento podem ser observadas: nanopartículas 3D altamente contrastadas e grandes nanoestruturas 2D com uma forma triangular ou hexagonal e um contraste menor. O processamento automatizado de vídeo, como demonstrado neste método, permite a medição das taxas de nucleação e crescimento das nanopartículas.

A baixas temperaturas, mais de 800 nanopartículas são formadas dentro de algumas dezenas de segundos de observação, enquanto apenas 30 nanopartículas são formadas na mesma quantidade de tempo a uma alta temperatura. Por outro lado, a área média da superfície das nanopartículas aumenta 40 vezes mais rápido a 85 graus Celsius do que aos 25. Aqui, o padrão de difração de duas nanopartículas de ouro que foram selecionadas diretamente de uma imagem STEM típica pode ser observado.

A estrutura cúbica centrada no rosto de eixos de visão longa orientadas ao ouro 001 e 112 zonas pode ser identificada. Estudar os efeitos da temperatura na nucleação e crescimento de nanopartículas por célula líquida TEM requer uma comparação de vídeos adquiridos com a mesma taxa de dose de elétrons porque a radiolise também tem um impacto na formação de nanopartículas. Caracterizações ex situ SEM ou TEM podem ser realizadas após o deslaparo da célula líquida para analisar melhor as estruturas de nanoobjetos.

A célula líquida controlada pela temperatura TEM oferece uma oportunidade para investigar o efeito da temperatura sobre as muitas outras reações químicas que ocorrem na interface entre sólidos e líquidos, abrindo muitas avenidas em materiais, vida e ciências da Terra.