Микроскопическая визуализация пористых нанографенов, синтезированных с помощью комбинации раствора и поверхностной химии
4 марта 2021 г.
Сочетание синтеза раствора и поверхностного синтеза открывает новые направления в атомарно точном синтезе наноструктур. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) в сочетании с бесконтактной атомно-силовой микроскопией (nc-AFM) позволяет детально охарактеризовать вновь спроектированные и созданные нанообъекты на основе углерода.
Сочетание раствора и поверхностной химии привносит в нашу жизнь новые материалы на основе углерода. Современные методы визуализации, такие как сканирующая туннельная микроскопия или атомно-силовая микроскопия, позволяют получить подробное представление о структуре, составе и свойствах вновь разработанных и синтезированных соединений вплоть до отдельных атомов. Начните с промывки монокристалла золота, полностью погрузив его в лабораторный стакан, наполненный ацетоном, и накройте стеклянный стакан парапленкой.
Впоследствии очистите образец в ультразвуковом скруббере в течение пяти минут. Установите монокристалл золота на держатель образца и скрутите загрузочный замок. Перенесите образец в систему сверхвысокого давления, чтобы нагреть его до температуры выше 100 градусов Цельсия в течение нескольких часов.
Отжигите образец при температуре 450 градусов Цельсия с помощью термонагревателя, установленного в камере для подготовки, в течение 15 минут. Контроль температуры с помощью термопары типа K. После калибровки пистолета с люминофором сориентируйте образец и отрегулируйте расстояние между пистолетом и образцом с точностью до 50 миллиметров. Во время отжига распыляют образец с ионами аргона.
Не забудьте выключить ионный насос и сублимационный насос перед открытием газового клапана. Распыление образца выполняют с помощью ионного пистолета, ориентированного под углом 45 градусов по отношению к поверхности образца с давлением газа пять на 10 лучей в мощности минус семь миллибар. После завершения циклов очистки проверьте качество золота 111 пробы с помощью СТМ.
Отодвиньте ячейку Кнудсена назад и закройте клапан между ячейкой Кнудсена и камерой подготовки перед вентиляцией ячейки Кнудсена. Заполните специальный кварцевый тигель примерно одним миллиграммом молекулярного порошка и правильно поместите тигель внутрь ячейки Кнудсена. После установки ячейки Кнудсена на клапан в камере подготовки откачайте ее с помощью внешнего вакуумного насоса.
Не открывайте клапан между камерой приготовления и ячейкой Кнудсена до тех пор, пока он не будет откачан вниз, чтобы избежать загрязнения камеры приготовления. Перенесите чистый образец золота из камеры микроскопа в камеру для подготовки. Затем установите образец непосредственно на одной линии с ячейкой Кнудсена и отрегулируйте расстояние между образцом и испарителем в пределах от 50 до 100 миллиметров.
Держите образец стороной от ячейки Кнудсена, чтобы избежать неконтролируемого осаждения молекулярного материала. Включите ячейку Кнудсена и установите температуру, предварительно откалиброванную с помощью кварцевых микровесов для испарения молекул. Нанесите молекулы, повернув образец лицом к ячейке Кнудсена, и удерживайте образец в этом положении в течение четырех минут.
Затем поверните образец лицом в сторону от ячейки Кнудсена и выключите ячейку Кнудсена, чтобы остановить испарение. Отжигите образец молекулами при температуре 320 градусов Цельсия в течение 15 минут, а затем до 370 градусов Цельсия в течение 15 минут. После каждого этапа отжига измеряйте образец с помощью LTSTM в сочетании с АСМ, чтобы исследовать текущую стадию эксперимента и проверить наличие и тип генерируемых объектов.
Когда фиксация выключена, подойдите к поверхности образца с помощью наконечника STM. Во-первых, выполните заход на посадку по курсу с помощью Z-диска. Во время захода на посадку наблюдайте за наконечником STM и его зеркальным отражением с помощью камеры.
Далее приблизьтесь к образцу на расстояние туннелирования с помощью программного обеспечения микроскопа. Затем втяните кончик на два-три шага от поверхности. Включите блокировку и задайте параметры синхронизации, такие как частота, амплитуда и постоянная времени.
Следите за ИТ-сигналом. Изменяя фазу синхронного усилителя, сведите к минимуму ИТ-сигнал около нуля. Подход к поверхности.
Затем откалибруйте DIDV на чистой поверхности золота 111 пробы, ища положение и форму поверхностного состояния Шокли. Для сопоставления DIDV установите низкое значение скорости сканирования. Охладив образец в микроскопе, откройте клапан на 1,5 минуты и установите давление окиси углерода пять на 10, поднятое до мощности минус восемь миллибар.
Проверьте образец в разделе STM. Когда наконечник металлический, молекулы окиси углерода на поверхности золота демонстрируют определенный контраст. Чтобы захватить одну молекулу, поместите наконечник над молекулой угарного газа и втяните наконечник не менее чем на 0,3 нанометра.
Увеличьте напряжение до трех вольт, прежде чем вернуть наконечник в заданное положение. Резкое изменение значения I указывает на процесс манипуляций с улавливанием угарного газа. Проверьте, изменился ли STM-контраст молекулы CO.
На изображении показан типичный внешний вид, зарегистрированный при напряжении 0,5 вольта и 15 пикоамперах. После выполнения сканирования STM выберите разделенную одиночную молекулу для измерений с помощью ЧПУ-АСМ. Найдите правильную плоскость Z, параллельную плоскости молекулы.
Отведите наконечник от поверхности примерно на 0,7 нанометра и выключите петлю STM. Микроскоп готов к началу измерений с ЧПУ-АСМ. Первый этап циклодегидрирования достигается путем отжига молекулярных предшественников при температуре 320 градусов Цельсия, в результате чего образуются изолированные молекулярные пропеллеры.
О неплоской конформации молекул можно судить по их внешнему виду STM с тремя различимыми яркими лопастями. Окончательное циклодегидрирование дает анилиновые поры и достигается при нагревании образца до 370 градусов Цельсия, в результате чего получается молекулярная смесь с отдельными объектами, содержащая одну, две или три встроенные поры. Детальная структурная характеристика получена с помощью измерений NC-AFM с разрешением по связи, которые показывают присутствие тригонального пористого нанографена.
Центральное фенильное кольцо расположено ближе к поверхности золота. Внешний вид нанографена позволяет предположить, что структура имеет неплоскую конформацию из-за стерических взаимодействий между атомами водорода внутри анилиновых пор. Одноточечное картирование STS и пространственное картирование STS обеспечивают беспрецедентное понимание свойств наноразмерных объектов с субмолекулярным разрешением.
Резонанс, зарегистрированный при напряжении минус 1,06 вольта, может быть связан с самой высокой занятой молекулярной орбиталью, в то время как резонанс, полученный при напряжении 1,61 вольта, доминирует на самой низкой незанятой молекулярной орбитали. Поверхностный синтез прокладывает путь к нашим низкоразмерным анатомически точным системам, таким как нанометрические молекулы, графеновые анилиновые связи и новые аллотропы углерода. Это также вдохновляет на разработку магнетизма на основе углерода или новых функциональных устройств.
Обзор
В данной статье продемонстрирован метод поверхностного синтеза непланарных нанографенов с использованием комбинации химии растворов и последовательных процессов с поддержкой поверхности. В протоколе подробно описаны подготовка золотых подложек, осаждение молекулярных предшественников и ступенчатый отжиг с последующим углубленным анализом с помощью сканирующей туннельной микроскопии (STM) и бесконтактной атомно-силовой микроскопии (NC-AFM). Данный подход позволяет на атомном уровне изучить структуру и электронные свойства новых углеродных наноструктур.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Химия поверхности
- Наука о наноматериалах
- Сканирующая зондовая микроскопия
Теоретическая справка
- Поверхностный синтез является перспективным методом создания новых молекулярных структур, включая графеновые наноленты и нанографены.
- Этот подход сочетает в себе приготовление молекулярных предшественников в растворе с последующими превращениями на поверхности в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ).
- Современные методы визуализации, такие как STM и AFM, позволяют проводить характеристику синтезированных наноструктур с атомным разрешением.
- К основным проблемам относятся зависимость от металлических поверхностей и ограниченный выход продукта, что стимулирует поиск путей расширения области применения и повышения продуктивности данного метода.
Цель исследования
- Продемонстрировать синтез непланарных нанографенов с помощью методов поверхностного синтеза.
- Сочетать химию растворов с последовательными реакциями с поддержкой поверхности для точного изготовления наноструктур.
- Провести детальную характеристику полученных нанографенов на атомном уровне.
Используемые методы
- Подготовка и очистка подложек из монокристалла золота (111) с использованием ацетона, ультразвуковой очистки, отжига и распыления ионами аргона.
- Осаждение молекулярных предшественников на поверхность золота с помощью ячейки Кнудсена в условиях сверхвысокого вакуума (UHV).
- Пошаговый отжиг образца при 320°C и 370°C для индукции циклического дегидрирования и формирования нанографена.
- Характеристика с использованием низкотемпературного СТМ, NC-AFM и сканирующей туннельной спектроскопии (STS) для структурного и электронного анализа.
Основные результаты
- Успешный синтез непланарных нанографенов с тригональными пористыми структурами на золотых поверхностях.
- Изображения СТМ выявили изолированные молекулярные пропеллеры и формирование анилиновых пор после последовательных этапов отжига.
- NC-AFM позволило получить изображения с разрешением до химических связей, подтвердив непланарную конформацию и детальную структуру нанографенов.
- Измерения СТС выявили электронные резонансы, соответствующие высшей занятой и низшей свободной молекулярным орбиталям.
Выводы
- Синтез на поверхности позволяет создавать атомно-точные низкоразмерные углеродные наноструктуры.
- Сочетание химии растворов и химии поверхности в совокупности с передовыми методами микроскопии обеспечивает беспрецедентное понимание наноматериалов.
- Данный подход открывает путь к созданию новых аллотропных модификаций углерода и функциональных устройств, включая потенциальное применение в области магнетизма на основе углерода.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Визуализация на атомном уровне и синтез пористых нанографенов с помощью комбинированной химии в растворе и на поверхности создают платформу для точного молекулярного инжиниринга на ранних этапах поиска. Этот подход позволяет проводить детальную структурную и электронную характеристику, что способствует снижению механистических рисков и повышению прогностической уверенности при разработке наноматериалов. Данная методология стратегически ориентирована на обоснование решений в области НИОКР при создании передовых материалов и прототипировании устройств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет проводить анализ углеродных наноструктур на атомном уровне для оценки их функциональных свойств.
- Способствует снижению технических рисков за счет выявления взаимосвязей между структурой и свойствами в новых материалах.
- Повышает точность прогнозирования при проектировании наноматериалов следующего поколения для биомедицинских интерфейсов.
Скрининг и разработка методов анализа
- Обеспечивает получение валидированных наноразмерных систем для последующей функционализации и рабочих процессов скрининга.
- Позволяет получать воспроизводимые количественные результаты визуализации для сравнительного анализа молекулярных архитектур.
- Обеспечивает стандартизацию платформы для высокоразрешающего анализа характеристик материалов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет данные о материалах на атомном уровне с трансляционными исследованиями интерфейсов устройств и сенсоров.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации технологий на основе наноматериалов.
- Позволяет осуществлять с учетом рисков развитие углеродных платформ для биомедицинского применения.
Интеграция в конвейеры и рабочие процессы
Данный метод применяется на стыке этапов первичного поиска и углубленного скрининга материалов, связывая синтез в растворе с анализом поверхности с атомным разрешением.
- Открывающая биология: позволяет проверять гипотезы о взаимосвязи структуры и функции в модифицированных нанографенах.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные данные СТМ и НК-АСМ для сравнения материалов.
- Аналитика: предоставляет электронные и структурные данные для проведения анализа в различных условиях.
- Трансляционные исследования: связывают результаты атомного масштаба с разработкой доклинических устройств и сенсоров, где это применимо.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемый рабочий процесс для прецизионного синтеза и характеризации наноматериалов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозирования и снижает неопределенность при проектировании наноматериалов.
- Операционная ценность: стандартизирует протоколы синтеза и получения изображений высокого разрешения для обеспечения воспроизводимости.
- Стратегическая ценность: служит основой для принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки перспективных платформ материалов в портфелях НИОКР.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию технологий на основе наноматериалов с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области химии поверхности, сканирующей зондовой микроскопии и приборов для работы в условиях сверхвысокого вакуума (UHV).
- Необходим доступ к передовой инфраструктуре визуализации и системам точного термического контроля.
- Требуется строгая стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости синтеза и анализа.
- Адаптация к неметаллическим подложкам может потребовать дальнейшей разработки методологии.
- При более широком применении следует учитывать ограничения по выходу продукта и масштабируемости.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:24
Preparation of the Atomically Clean Gold Surface
1:53
Deposition of the Nanographene Precursor on the Gold Crystal
2:32
On-Surface Preparation of the Nanographenes
3:52
dI/dV Measurements
4:55
NC-AFM Sensor Functionalization and NC-AFM with Carbon Monoxide Measurements
6:19
Results: Characterization of Nanographenes by Scanning Probe Microscopy Methods
7:58
Conclusion
