在液体中使用液体池透射电子显微镜揭示材料的动态过程

他们的母语环境的实时性和的成像生物材料在液体中的化学反应的研究一直在研究领域中^1-5的重大利益。由于透射电子显微镜（TEM），通过液体TEM成像的空间分辨率高，吸引了很多关注^4,5。然而，它一直是图像的液体样品TEM一个巨大的挑战，因为传统的显微镜操作在高真空环境。此外，液体样品必须足够薄，以允许电子束通过。 Williamson 等⁶报告为5nm的分辨率，使用电化学的液晶单元在TEM中操作，可以实现与电化学沉积的Cu成像。德容格等人 ¹能够图像serveral的微米厚的水生物样品通过使用扫描透射电子显微镜（S）。对比度低的生物样品的时间是不作为一个问题提出，由于黄金纳米粒子作为标记成像。粘稠液体样品是不是一个问题，因为STEM成像模式和纳米级分辨率达到了。最近，我们开发了一种自足的液晶单元，它允许实时TEM成像在液体中的胶体粒子与亚纳米分辨率^5,7。这些新开发的的液体细胞，提供了更好的分辨率和更快的TEM成像（每秒30帧的高分辨率STEM成像尚未实现），使人们有可能在液体中的胶体纳米粒子动力学研究。的液体的细胞适合在一个标准的TEM保持器和可作定期TEM样品。少量的液体（约30皮升），可以检查在原位下一个扩展化学反应。可以应用于各种成像和分析（ 即 ，能量色散型X射线光谱法）技术。由于所述观察窗的总厚度（包括膜和液体层），可以被控制为100纳米或更低，没有金纳米微粒标记的生物样品（ 即蛋白）在液体水的直接成像也已取得^8。

在过去的二十年中，已经有显著成绩的合成及应用胶体纳米晶^9-11。但是，了解如何纳米粒子成核，生长和相互影响的，在液体中的主要经验，主要是基于易地分析^11-13。液体细胞TEM我们的发展提供了一个独特的平台，研究纳米颗粒在液体中的动态过程的原位 ^5,7,14,15。

我们制作一个自包含的液体电池，使用超薄硅晶片（100微米），由连续的微细加工过程。它包括沉积氮化硅膜，光刻构图，晶片蚀刻，隔离物的沉积，和细胞粘接等约50纳升的反应溶液装入一个蓄水池，通过毛细管力被吸入到单元格。我们填充其它贮存的与另一50纳升的液体。然后，将电池被密封，并加载到原位成像显微镜。显微镜内部，液体夹着两个氮化硅膜（共约30皮升），可以检查。当电子束穿过的薄液体层，可以实时监测的纳米颗粒在液体中的动态过程。可诱导的纳米颗粒的成核和生长，通过电子束^5,7或反应在某些情况下，可以由外部加热源^14,16触发。当电子束损坏是一个关注，低电子束电流（剂量）应该被使用。

由于液态电池制造的硅微加工工艺和大批量，在膜或液体的变化个体间的液体细胞的厚度^L6小型会议室。有基本微细培训的所有研究可以成功地使液体细胞。液体处理技术，并在 TEM 原位操作，也可以掌握后实践。据指出，除了使用的氮化硅膜作为观察窗时，可以使用其它材料，如二氧化硅，硅或碳（包括石墨烯）可以作为膜窗口，以及^{17日至19日} 。由于我们的液体使用小的观景窗， 即 1 x 50微米，没有鼓鼓的膜细胞已被观察到。而且，液晶单元也是强大的操作， 即 ，低于1％的液体细胞已在实验过程中的破窗。此外，液体层的厚度，也可以被灵活地调谐，通过改变沉积的铟间隔件的厚度。一个密封的液体样品制备过程中，电池可以维持几天无泄漏的液体。少量的液体可以几个小时检查下的电子束，它允许实时扩展化学反应的研究。

到目前为止，我们有许多独特的动态过程可视化的纳米颗粒在液体中，例如，Pt纳米粒子的长大和聚合^5,15，扩散的纳米粒子在薄的液体^20,21，双向纳米粒子的增长波动的^14，环 ​​比增长_3篇铁纳米棒纳米颗粒积木等，此外，我们也应用这种方法到其他领域， 例如 ，成像在液体水的蛋白质为2.7纳米的分辨率^8。总之，我们的液体电池的TEM技术已被证明是一个非常宝贵的发展，在材料科学，物理学，化学和生物学的基本问题的研究范围很广。我们相信未来技术的进步和应用的液体TEM还有很大的空间，它必将是一个高IMPACT在广泛的科研。