Grafén flytende celle elektronmikroskop kan brukes til å observere nanocrystal dynamikk i et flytende miljø med større romlig oppløsning enn andre flytende celle elektronmikroskop teknikker. Etsing forhåndslagde nanokrystaller og etter sin form med Grafén flytende cellen overføring elektronmikroskop kan gi viktig mekanistisk informasjon om hydrogenion transformasjoner.
Grafén flytende celle elektronmikroskop gir muligheten til å observere nanoskala kjemiske transformasjoner og dynamikk som reaksjonene er forekommende i flytende miljøer. Dette manuskriptet beskriver prosessen for å gjøre Grafén flytende celler gjennom eksempel på Grafén flytende celle overføring elektronmikroskop (TEM) eksperimenter av gull nanocrystal etsning. Protokollen for å gjøre Grafén flytende celler innebærer belegg gull, holey-karbon TEM rutenett med kjemiske damp deponering Grafén og deretter bruke disse Grafén-belagt rutenett for å kapsle væske mellom to Grafén flater. Disse lommene til væsken, med nanomaterial av interesse, er avbildet i elektronmikroskop se dynamikken i nanoskala prosessen, i dette tilfellet oksidativt etsning av gull nanorods. Ved å kontrollere elektron strålen dose ofte, som modulerer etsing arter i flytende cellen, kan de underliggende mekanismene hvordan atomer er fjernet fra nanokrystaller til forskjellige fasetter og figurer bli bedre forstått. Grafén flytende celle TEM har fordelene av høy romlig oppløsning, kompatibilitet med tradisjonelle TEM innehavere, og lave oppstartskostnader for forskning holdene. Gjeldende begrensninger omfatter delikat utvalg forberedelse, mangel på flyt kapasitet og avhengighet av elektron strålen generert radiolysis produkter å indusere reaksjoner. Med videreutvikling og kontroll, Grafén flytende cellen kan bli en allestedsnærværende teknikk i nanomaterialer og biologi, og er allerede brukt for å studere mekanismer for vekst, etsning og selvtillit forsamlingen prosesser av nanomaterialer i væske på den enkelt partikkel-nivå.
Controllably syntetisere nanokrystaller1 og montering nanopartikler i større strukturer2,3 krever en forståelse av de grunnleggende mekanismene som styrer hvordan atomer og nanopartikler samhandle og binde sammen. Ideelt sett studier av prosessene nanoskala ville bli utført i deres eget flytende miljø med tilsvarende romlig oppløsning nødvendig å observere fenomenet av interesse, men disse kravene utgjør utfordringer på grunn av nanometer lengden skala der disse systemer opererer. Forskere har lenge ønsket å bruke romlig oppløsning elektronmikroskop for å image prosessene, men høy vakuum kolonnen elektronmikroskop krever innkapsling av flytende løsning4. Noen tidlige flytende celle elektronmikroskop eksperimenter innkapslet væske mellom to silicon nitride membraner5,6,7,8, og denne metoden har nå blitt en kommersielt tilgjengelig teknikk for å studere dynamisk nanoskala prosesser.
Kommersielt tilgjengelige silicon nitride flytende celle TEM innehavere har gitt den nødvendige oppløsningen å se og forstå en rekke interessante fenomener på nanoskala9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. noen kommersielle flytende celle TEM innehavere har flere funksjoner som for eksempel oppvarming, strøm, og elektriske forbindelser som ytterligere utvide riket av nanoskala prosesser som kan undersøkes. Men med alle disse funksjonene, er de kommersielle systemene ikke optimalisert rundt å oppnå den høyeste romlig oppløsningen. For forskere trenger forbedret romlig oppløsning, er reduserer vinduet tykkelsen og redusere flytende tykkelsen to mulige ruter til mindre elektron strålen spredning og bedre oppløsning17. Noen grupper som bruker silicon nitride flytende cellene dikte egne vinduer som gir større kontroll over vinduet og flytende tykkelser. 18 redusert spredning av disse hjemmelagde flytende cellene har aktivert elektronmikroskop studier med større romlig oppløsning inkludert atomic oppløsning studier19,20,21.
Siden tykkelsen på encapsulating materialet er ett aspekt som negativt påvirker romlig oppløsning av flytende celle eksperimenter, atomically tynn, lav-Z materialer som Grafén ville være ideelt innkapsle materialer22, 23. Grafén ark er fortsatt sterk nok til å beskytte flytende lommene fra press forskjellen i kolonnen. I tillegg inneholder disse Grafén flytende celle lommer vanligvis tynnere lag med væske, for å ytterligere forbedre oppnåelig romlig oppløsning. Mange interessante nanoskala prosesser har blitt undersøkt med Grafén flytende cellene studier etter hydrogenion fasett trajectories og hydrogenion dynamics med Atom oppløsning23,24,25 ,26,27. En utilsiktet fordel av Grafén flytende cellen teknikk er at denne høy romlig oppløsning kan oppnås uten kjøp av en annen TEM holderen eller spesialiserte silisium fabrikasjon. Eksperimenter ved hjelp av silicon nitride celler som oppnådde høy oppløsning også kreves store nanopartikler består av tunge atomer, mens oppløsning ved Grafén flytende cellen kan gi Atom løsning for sub-2 nm nanopartikler25. I tillegg har Grafén flytende cellen åpnet muligheter for å studere biologiske prøver med elektronmikroskop Grafén innkapsling28,29 fleksibel natur og muligheten for Grafén å redusere noen av de skadelige virkningene av elektronet stråle30. På grunn av disse fordelene har Grafén flytende celle elektronmikroskop potensial til å bli en standard metode i nanovitenskap samfunnet når større antall forskere forstå bedre om denne teknikk kanne hjelpe sin forskning og hvordan du bruker Denne teknikken.
Forskere i kjemiske, nanomaterial, biologiske og andre felt ønsker romlig oppløsning på i situ transformasjoner nytte av ansette Grafén flytende cellen elektronmikroskop teknikk. Denne i situ metoden er spesielt verdifull for ikke-likevekt prosesser som krever visualisering under transformasjon. En betydelig ulempe av flytende celle TEM teknikker er generasjon av radiolysis arter som den perturbative elektron strålen31, som kan føre til uønskede endringer i delikate prøver. Forskere har utviklet modeller for å prøve å tallfeste bjelke-drevet kjemi31,32, og strategier er utviklet for å redusere disse effektene30,32. Grafén flytende celle TEM har ekstra utfordringen med skjøre og ofte vanskelig å gjøre, spesielt for forskere nye med teknikken. Målet med denne artikkelen er å dele detaljer om hvordan Grafén flytende celle TEM eksperimenter kan utføres (figur 1), gjennom et eksempel eksperimentere observere enkelt partikkel etsing av nanokrystaller, og forhåpentligvis vise Grafén flytende cellen eksperimenter er mulig for nesten alle grupper med tilgang til et elektronmikroskop. Protokollen vil dekke Grafén belegg av rutenett, flytende celle formasjon, TEM bruk for Grafén flytende celle etsing eksperimenter og bildet analyseteknikker. Kritisk trinn i flytende cellene som størrelsen av slippverktøyet innkapslet, nøye vurdering av flytende løsning innholdet, og bruk av bare direkte overføring Grafén dekkes med flere råd om hvordan å unngå å gjenta fallgrubene tidligere forskere. Grafén flytende cellen TEM er en ny teknikk for nanoskala forskning, og denne artikkelen vil gjøre det mulig for nye aktører å begynne å utnytte denne teknikken.
Grafén flytende celle elektronmikroskop kan gi mekanistisk informasjon om nanocrystal vekst og etsing med høy romlig oppløsning, men siden gjøre Grafén flytende celler kan være vanskelig og delikat, teknikken krever oppmerksomhet på detaljer til Pakk ut brukbare data. Selv etter omfattende praksis å gjøre Grafén flytende celler, bare om en halv til en fjerdedel av gjort flytende celler vellykket innkapsle flytende løsningen. Det kritiske trinnet i danne flytende celler er å plassere andre rutenettet på slippverktøyet væske. Vanlige feil omfatter får pinsett fast mellom de to rutenettene, slippe andre rutenettet for langt utenfor sentrum, og starter med et slippverktøy som er for stor. Siden montering av Grafén flytende celler er delikat og krever fine motorikken, tar det vanligvis praksis kunne lage flytende lommer. På grunn av utgiften av Grafén-belagt TEM nett, er det sterkt anbefalt at nye Grafén væske celle brukere første praksis flytende cellen for tradisjonelle kobber, amorf karbon TEM rutenett for å spare penger.
Bestemme årsakene til feil for flytende celler kan være utfordrende fordi en forsker ikke kan vite om hvert trinn har vært vellykket til imaging prøven på slutten, og feil, som skrape Grafén, kan gå ubemerket hen. Enkleste feilen å identifisere er en feilaktig samling fordi forskeren vil umiddelbart se væske lekker ut av Grafén flytende cellen. Problemer med å lage Grafén på kobber rutenett som sprengning av Grafén, kan være vanskeligere å finne. Kvaliteten på Grafén kan kontrolleres både før og etter belegg TEM rutenett med Raman spektroskopi, men Grafén er vanligvis ubrukelig etter denne testingen. I tillegg er det viktig å bruke direkte overføring Grafén fordi de to ansiktene til Grafén blir satt sammen trenger å være ren til riktig en forsegling gjennom Van der Waals styrker. Gjør Grafén-belagt rutenett gjennom polymer overføring metoder kan la polymer rester på siden av Grafén som er forventet å bånd sammen. Hvis riktig prosedyre følges med de riktige TEM-rutenettene, er mangel på suksess med Grafén flytende cellen vanligvis på grunn av mishandling av Grafén og rutenett under montering og fabrikasjon.
Grafén flytende celle TEM fremskritt eksisterende flytende celle TEM teknikker ved hjelp av et mye tynnere innkapsling materiale som kan brukes i noen tradisjonelle TEM innehaver, gjør høy oppløsning og fasett bane sporing eksperimenter mye enklere. Med oppløsningen av kommersielle silicon nitride membran flytende celler være mye av fasett og kinetisk informasjon som ved etsing nanokrystaller i Grafén flytende cellen tapt. Grafén flytende celle TEM eksperimenter kan også utføres på eksisterende enkelt tilt TEM holdere benektende behovet for dyre nye spesialiserte holdere. Videre Grafén flytende cellen kan settes i en holder som aksepterer standard TEM rutenettet prøver slik at flytende celle eksperimenter utføres i avansert innehavere (oppvarming, dobbel tilt, kjøling, cryo, cathodoluminescence) der silicon nitride væske celler har ikke blitt utviklet. I tillegg utgjør Grafén flytende celler ikke risikoen for krasje vakuum kolonnen TEM hvis lommene brudd som andre flytende celle TEM teknikker. Selv om Grafén flytende cellen ikke ennå en allestedsnærværende teknikk i nanocrystal felt, vil dens lette av bruk og romlig oppløsning gjøre det mye mer utbredt i fremtiden.
Selv med sine mange fordeler har Grafén flytende celle TEM begrensninger på hvilke typer eksperimenter som kan utføres. Noen væske fordampe som lommer form, så det er vanskelig å nøyaktig bestemme konsentrasjonen av arter i løsning, aften uten betraktning elektron strålen effekter. Grafén flytende celler har også tilfeldige størrelser og høyder distribusjoner av små lommer, så silicon nitride flyt celler har fordelen av mer kvantifiserbare pre strålen konsentrasjoner og store, ensartede flytende lag. Som beskrevet i dette arbeidet, kan bare forhåndsinstallert prøver vises med Grafén flytende cellen i TEM, så det ikke er mulig å strømme i andre løsninger å utløse kjemiske reaksjoner. Den radiolysis arten generert av samspillet av elektronstråle med flytende løsningen er bare utløser som kan brukes til å starte en reaksjon. Selv om ikke vist ennå, kan termisk igangsatt prosesser utløses i Grafén flytende celler ved hjelp av standard oppvarming holdere. Elektron strålen-indusert radiolysis effekter er fortsatt ikke fullt ut forstått og kan være vanskelig å kontrollere. Forskere har utviklet kinetic modeller for å bestemme innholdet i flytende celle lommer etter strålen samhandling31,32, men nøyaktigheten er begrenset av antall reaksjoner inkludert i modellen og noen ukjent konsentrasjon endringer på grunn av tørke. Komplekse første lomme innholdet med mange reagere arter som FeCl3, Tris Buffer og selv Grafén30, kan være vanskelig å forstå bruker kinetisk modell. En annen ulempe av flytende celle elektronmikroskop er at det er vanskelig å karakterisere sammensetningen av krystallene dannet under dynamisk prosesser. For eksempel i Vekstforsøk multicomponent systemer, kan det være umulig å skille hva faser eller arter vokser hvis de nye nanokrystaller er amorfe eller ikke på sone aksen. Dette er en annen grunn til at etsing pre-formet nanokrystaller av en kjent komposisjon sitter på en kjent sonen akse er ønskelig. Endelig er det fortsatt noen argumenter som bjelke-indusert reaksjoner i et flytende Grafén-cellen ikke representerer betingelsene for ex situ reaksjoner i en bolle.
Fremtidige Grafén flytende celle eksperimenter vil hjelpe lindre noen av disse bekymringene mens også bruker nye TEM videre til videre sondere underliggende mysterier nanokrystaller. Correlative ex situ nanocrystal syntese og etsing eksperimenter vil være avgjørende bekrefter mekanismer i flytende celle TEM eksperimenter. Også forskere har begynt å arbeide på flyt evner å Grafén flytende celle TEM35 og gjør mer kontrollert lommer36 inkludert matriser av Grafén flytende celler med lithographically utarbeidet hull37. Fremskritt i elektronmikroskop oppløsning og kameraet hastighet vil gjøre Grafén flytende celle videre kunne studere atomic dynamics under nanocrystal transformasjoner. Innpakning små lommer av væske i en atomically tynt materiale som Grafén for bruk i elektronmikroskop har en rekke potensielle og vil utvilsomt bli et fast innslag i nanovitenskap forskning i fremtiden.
The authors have nothing to disclose.
Arbeidet ble støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office for energi basalfag, materialer fag og ingeniør divisjon, under Kontraktnr. DE-AC02-05-CH11231 i Fysikalsk kjemi av uorganiske nanostrukturer Program (KC3103).
2-propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | 190764-4L | |
Acetone | Fisher Chemical | A949-4 HPLC Grade | |
FeCl3 | Sigma Aldrich | 44944-250g | |
Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids | SPI Supplies | 4230G-XA | 300 Mesh Gold, R1.2/1.3- Often extensively on back-order |
Graphene | ACS Materials | GnVCu3~5L-4x2in | We special order this to get graphene only on one side. The double sided product number is CVCU3022. Usually, we use 3-5 layer graphene for making Graphene Liquid Cells. If researchers need single layer graphene for their liquid cells, we have been using Grolltex recently |
Hot Plate | IKA | C-MAG HS 7 Digital | |
Hydrochlorid Acid | Fisher Chemical | 7647-01-0 | |
Kimwipe Tissues | Kimberly-Clark | 34120 | |
Matlab | Mathworks | ||
Millipore Water Filter | Millipore | F4NA85846D | |
Sodium Persulfate | Sigma Aldrich | 71890-500g | |
Surgical Scalpel Blade | Swann-Morton | No. 6 | |
TEM | FEI | Tecnai T20 S-Twin | TEM needs to be linked to camera acquisition software to allow for dose rate calibration procedures. |
TEM Cameara for in situ data collection | Gatan | Orius SC200 | Custom digital micrograph scripts (written in house) for calibrating the C2 lens value to dose rate and collect in situ datasets |
TEM Single Tilt Sample Holder | FEI | ||
Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris Buffer HCl) | Fisher Biotech | 1185-53-1 | |
Tweezers | Excelta | 7-SA |