Le contrôle de la température lors d’expériences de microscopie électronique en phase liquide ouvre de nouvelles perspectives d’étude de la dynamique des nanoparticules dans des environnements liquides imitant leur formation ou leur milieu d’application. En utilisant des cellules liquides chauffantes récemment développées, nous avons directement observé l’influence de la température sur les processus de nucléation et de croissance des nanoparticules d’or dans l’eau.
Le contrôle de la température est un développement récent qui offre un degré supplémentaire de liberté pour étudier la nanochimie par microscopie électronique à transmission de cellules liquides. Dans cet article, nous décrivons comment préparer une expérience de chauffage in situ pour étudier l’effet de la température sur la formation de nanoparticules d’or entraînées par radiolyse dans l’eau. Le protocole de l’expérience est assez simple impliquant une cellule liquide spéciale avec des capacités de chauffage uniformes jusqu’à 100 ° C, un support TEM à cellule liquide avec des capacités d’écoulement et une interface intégrée pour contrôler la température. Nous montrons que les mécanismes de nucléation et de croissance des nanoparticules d’or sont considérablement impactés par la température dans les cellules liquides. Grâce à l’imagerie STEM et à la nanodiffraction, l’évolution de la densité, de la taille, de la forme et de la structure atomique des nanoparticules en croissance est révélée en temps réel. Les algorithmes de traitement automatisé d’images sont exploités pour extraire des données quantitatives utiles de séquences vidéo, telles que la nucléation et les taux de croissance des nanoparticules. Cette approche fournit de nouvelles entrées pour comprendre les processus physico-chimiques complexes en jeu lors de la synthèse en phase liquide des nanomatériaux.
Les nanoparticules métalliques (NPs) ont des propriétés physico-chimiques prometteuses qui peuvent être utilisées dans divers domaines tels que la détection optique1,la médecine2 ou l’énergie3. La synthèse chimique humide est une méthode très polyvalente pour fabriquer des IP métalliques avec une taille et une forme bien définies. Au cours des dernières décennies, de nombreuses stratégies ont été développées pour prendre le contrôle de la synthèse des IP : croissance médiée par les graines4,méthode de blocage de face5,synthèse à commandecinétique 6,gravure sélective7 ou synthèse à température contrôlée8. Cependant, alors que les réactions chimiques à l’origine de la synthèse sont assez simples, les mécanismes de nucléation et de croissance ne le sont pas, car de nombreux paramètres jouent un rôle dans les processus de formation et leur influence individuelle est difficile à récupérer à partir d’instantanés ex situ des nanomatériaux résultants extraits de leur milieu de formation à des points de temps donnés de la synthèse. Pour vraiment comprendre les processus de nucléation et de croissance et établir des moyens de les contrôler, nous devons utiliser des outils in situ qui permettent leur observation en temps réel dans un environnement liquide finement contrôlé.
À cet égard, la microscopie électronique à transmission à cellules liquides (LCTEM) a été une méthode très puissante pour jetant un nouvel éclairage sur la synthèse de nanoparticules métalliques9,10,11,12,13. Enimageant la dynamique des nanostructures individuelles directement dans leurs milieux de formation liquide, cette technique a permis une compréhension plus approfondie des mécanismes de nucléation et de croissance, notamment le rôle des défauts cristallins, de la morphologie des graines et des ligands organiques qui permettent de piloter des processus de croissance directionnelle ou de gravure et d’obtenir des nanomatériaux de formes spécifiques (nanotiges, nanostars, nanoplaques, nanocoques, nanocoques)10,11, 12,13, 14,15,16,17,18,19. Lorsque le faisceau d’électrons d’un TEM interagit avec des liquides, les processus de radiolyse produisent de fortes espèces réductrices et oxydantes qui modifient la chimie de la solution dans la zone irradiée et peuvent être utilisées pour stimuler les processus de croissance ou de gravure. Fait intéressant, la concentration de produits radiolytiques est connue pour augmenter avec le débit de dose électronique, un paramètre qui peut être finement réglé dans un microscope électronique20. Par conséquent, cette dépendance du débit de dose de la radiolyse a été exploitée pour contrôler la vitesse de réaction et révéler des effets cinétiques sur les processus de formation et la morphologie finale des nanostructures11,15,20.
Bien que la température soit un paramètre crucial dans la synthèse des nanomatériaux, ses effets n’ont jusqu’à présent pas été soigneusement étudiés par LCTEM, car les cellules liquides commerciales avec un contrôle fiable de la température n’ont été développées que récemment. Pourtant, de telles études in situ sont indispensables pour démêler les effets cinétiques et thermodynamiques complexes induits par les changements de température. En effet, d’une part, l’augmentation de la température a des impacts drastiques sur les processus de facettage au cours de la croissance, accélère la diffusion atomique et moléculaire dans le liquide et modifie les vitesses de réaction. D’autre part, le diagramme en nanophases des nanostructures est également très sensible à la température. Dans cet article, nous exploitons les cellules liquides chauffantes récemment développées pour suivre la croissance radiolytique des nanoparticules d’or dans l’eau avec un contrôle de température entre la température ambiante et 100 °C. Cette méthodologie combinant l’imagerie STEM et la diffraction dans un environnement de plus en plus proche des conditions réelles de synthèse réduit l’écart entre les observations TEM in situ et les synthèses à l’échelle du banc d’essai.
Le protocole décrit permet de suivre la nucléation et la croissance de nanoparticules d’or entraînées par radiolyse dans un milieu liquide à température contrôlée. Combiné avec un traitement vidéo automatisé, il permet de mesurer l’effet de la température sur les paramètres clés de la synthèse des nanoparticules tels que la densité, la taille, la forme et la structure atomique des nanoparticules. Ces apports précieux permettent d’évaluer l’effet de la température sur les taux de nucléation et de croissance, de détecter les transitions de phase possibles et de visualiser les processus de facettage qui dictent le résultat final des solutions colloïdales. Avec la possibilité de contrôler la composition du milieu réactif, la TEM à cellule liquide à température contrôlée est une autre étape vers l’observation directe des processus de nucléation et de croissance de diverses nanostructures dans des conditions de synthèse réalistes. L’interprétation des résultats présentés dans cet article et leur comparaison avec les modèles de nucléation et de croissance seront discutées ailleurs. Ici, nous voulons mettre en évidence plusieurs aspects méthodologiques qui doivent être pris en compte pour mener des expériences TEM in situ pertinentes.
Tout d’abord, il est crucial d’identifier les effets du faisceau d’électrons dans le média de réaction car ils peuvent influencer considérablement les résultats de l’expérience. Ici, comme la radiolyse de l’eau est la force motrice de la formation de nanoparticules, la vitesse de croissance augmente rapidement avec le débit de dose électronique qui aura un impact sur la forme finale des nano-objets11,15. Par conséquent, pour étudier les effets de la température sur la nucléation et la croissance des nanoparticules, il est nécessaire de comparer les expériences de croissance acquises avec le même débit de dose d’électrons. En mode STEM, le débit de dose électronique correspond au courant de faisceau (en électron par seconde) divisé par la taille de l’image (ennm2). Par conséquent, un débit de dose d’électrons constant implique de maintenir le même courant de faisceau (c’est-à-dire la même ouverture du condenseur et la même taille de point) et le même grossissement pour chaque expérience. La quantification du courant de faisceau des conditions d’imagerie à l’aide d’une caméra CCD ou d’une tasse de Faraday est importante pour interpréter et reproduire les données. Le grossissement et le débit de dose qui en résulte doivent être choisis selon que l’on souhaite visualiser la croissance d’un grand ensemble de nanoparticules pour extraire des résultats statistiquement pertinents sur la cinétique de croissance(figure 5)ou les mécanismes de croissance à l’échelle d’une seule nanoparticule pour identifier les sites d’adsorption préférentiels sur les surfaces des nanoparticules(figure 10). Si les processus de nucléation et de croissance sont trop rapides, en particulier à fort grossissement, une petite ouverture de condenseur et une petite taille de point doivent être choisies pour minimiser le débit de dose. La nucléation et la croissance des nanoparticules peuvent également ralentir en réduisant la concentration de précurseur métallique dans la solution analysée, mais notez que la concentration de produits radiolytiques augmentera avec la température. D’une manière générale, il est également important de prendre en compte l’historique de l’irradiation électronique de l’ensemble de l’échantillon. Ici, par exemple, si plusieurs expériences de croissance sont rapidement réalisées dans des zones proches les unes des autres, la densité des nanoparticules diminuera au fil du temps car la concentration de précurseurs d’or dans la zone étudiée diminue. Cet effet peut être minimisé en séparant les expériences de croissance à la fois dans l’espace et dans le temps et en utilisant le porte-liquide en mode d’écoulement.
Les algorithmes de suivi d’interface sont extrêmement utiles pour automatiser l’analyse des vidéos et extraire des résultats quantitatifs sur la nucléation et la croissance de grands assemblages de nanoparticules. Cependant, il convient de noter que l’étape de binarisation de l’image est toujours spécifique aux données, ce qui signifie que les filtres et le traitement des données qui doivent être appliqués sur les images pour optimiser la détection de l’interface nanoparticule / liquide varieront d’une expérience à l’autre. De plus, il est essentiel de comparer les résultats de ces analyses automatisées avec des mesures manuelles effectuées sur quelques images afin d’optimiser le flux de travail de traitement d’images et de connaître ses limites. Ici, par exemple, de multiples événements de diffusion dans les nanoparticules 3D de plus en plus épaisses formées à haute température induisent une inversion de contraste de leur cœur après 30 secondes d’observation car l’élargissement angulaire des électrons diffusés entraîne une diminution du signal collecté dans la plage angulaire du détecteur annulaire. Pour continuer à mesurer la surface réelle de ces nanoparticules, nous avons utilisé un processus de données de « trous de remplissage » après la binarisation de l’image qui remplit le cercle intérieur des contrastes de forme d’anneau (Figure 7F, G). Cependant, nous avons dû utiliser une petite dilatation des objets pour nous assurer que ces contrastes de forme d’anneau sont toujours entièrement connectés. Cette dernière étape conduit à une légère surévaluation de la surface moyenne des nanoparticules dans les mesures automatisées (Figure 9). De même, pour la détection des nanoparticules, nous devons définir une taille minimale d’objets détectés (Smim)pour éviter de détecter le bruit, mais ce paramètre affecte le taux de nucléation mesuré. Comme le voit la figure 8,le nombre de nanoparticules détectées augmente au début de l’expérience pour atteindre un plateau. Lorsque Smin est grand (50 pixels2 correspondant à 1543nm2),des mesures automatiques et manuelles se sont mises d’accord au niveau de ce plateau (835 nanoparticules après 60 secondes) mais la détection des nanoparticules est retardée dans l’analyse automatique puisque 835 nanoparticules sont comptées manuellement après seulement 12 s, mais pas automatiquement détectées jusqu’à plus tard. Ce temps de détection prolongé conduit à une sous-évaluation du taux de nucléation. La réduction de Smin à 20 pixels2 (c’est-à-dire 617nm2)réduit l’erreur sur le temps de nucléation de l’assemblage de nanoparticules, mais elle conduit à une surévaluation de la densité des nanoparticules, en particulier au début des expériences (Figure 8) qui affecte également le taux de nucléation. La détection et les mesures de taille et de forme de nano-objets avec un comportement très dynamique et un faible rapport signal/bruit est un défi courant en TEM en phase liquide qui peut être encore amélioré en utilisant d’autres méthodes de segmentation et de débruitage24 ou des approches d’apprentissage automatique25.
Enfin, la préparation de la cellule liquide et le nettoyage du support liquide doivent être effectués très soigneusement pour éviter les contaminations du média de réaction.
En général, le contrôle de la température de l’échantillon pendant les analyses LCTEM offre la possibilité d’étudier les effets thermiques sur les réactions chimiques qui se produisent à l’interface entre les solides et les liquides. Par conséquent, nous espérons que la méthode actuelle ouvre la voie à d’autres expériences TEM in situ conçues pour révéler la dynamique des matériaux durs, mous ou biologiques dans des milieux liquides à température contrôlée.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions la Région Ile-de-France (convention SESAME E1845 pour le microscope électronique JEOL ARM 200 F installé à l’Université de Paris), du Labex SEAM (Projet GLOIRE) et du CNRS (Programme Defi Nano). Nous remercions Madeline Dukes et Daniel Franck d’avoir partagé les schémas et les images optiques des cellules liquides vues dans les figures 1 et 2.
2100 Plus electron microscope | Jeol | ||
Acetone | Merck | ||
Air pistol | |||
ARM 200F electron microscope | Jeol | ||
Binoculars or optical microscope | |||
Carbon tipped tweezers | |||
Computer with heating software | Software by Protochips | ||
Distlilled water | |||
Dummy e-chips | Protochips | ||
Gasket/O-rings | Protochips | ||
Gold aqueous solution | Merck | 1 mM of HAuCl4 – Prepared beforehand | |
Large liquid heating E-chip | Protochips | ||
Methanol | Merck | ||
One View camera | Gatan | ||
Petri dish | Number : 2 | ||
Plasma cleaner | Gatan | ||
Poseidon Select | Protochips | Liquid cell holder | |
Power supply Keithley 2450 | |||
Protective gloves | |||
Red PEEK tubing | Number : 3 | ||
Screwdriver with torque | |||
Small liquid E-chip | Protochips | 150 nm spacers | |
STEM HAADF detector | Jeol | ||
STEMx software | Gatan | ||
Syringe | Number : 2 | ||
Syringe pump | Harvard apparatus | Number : 2 | |
Vacuum pump | Gatan |