Revelando processos dinâmicos de Materiais em Líquidos Usando líquido celular Microscopia Eletrônica de Transmissão

O estudo de reações químicas em líquidos em tempo real e materiais de imagem biológicos em seu ambiente nativo ter sido de interesses significativas entre os campos de pesquisa ^1-5. Devido à alta resolução espacial de microscopia eletrônica de transmissão (MET), de imagem através de líquidos usando TEM atraiu muita atenção ^4,5. No entanto, tem sido um grande desafio para amostras líquidas de imagem utilizando TEM, uma vez que o microscópio convencional é operada em um ambiente de alto vácuo. Além disso, as amostras de líquido têm de ser suficientemente fina para permitir que o feixe de electrões que passar. Williamson et al. ⁶ relataram que a imagiologia de deposição electroquimica de Cu pode ser conseguida com resolução de 5 nm, utilizando uma célula electroquímica de líquido operado em MET. De Jonge et al. ¹ era capaz de amostras biológicas por meio de imagem serveral água micrómetros de espessura utilizando um varrimento TEM (S). O baixo contraste das amostras biológicas não eralevantada como um problema desde que as nanopartículas de ouro foram usados ​​como marcadores para geração de imagens. A amostra de líquido espesso não foi um problema desde STEM modo de imagem foi usada e resolução nanométrica foi alcançado. Recentemente, desenvolveu uma célula independente de líquido, o que permite imagens em tempo real de TEM de nanopartículas coloidais em líquidos com resolução subnanometer ^5,7. Estas células recentemente desenvolvidos líquidos, que oferecem melhor resolução de imagem e mais rápido TEM (30 quadros por segundo, que não foi alcançado pela imagem de alta resolução STEM), permitiu o estudo da dinâmica de nanopartículas coloidais em líquidos. As células de líquido encaixa num suporte de TEM padrão e pode ser operado como amostras de MET regulares. Uma pequena quantidade de líquido (cerca de 30 picolitros) pode ser examinada in situ sob uma reacção química estendida. Vários de imagem e analítica (isto é, energia dispersiva de raios-X espectroscopia) técnicas podem ser aplicadas. Uma vez que a espessura total da janela de visualização (incluindo membranase a camada de líquido) pode ser controlada a 100 nm ou inferior, de imagem directa de amostras biológicas (proteínas, por exemplo) em água líquida sem marcadores de nanopartículas de ouro também tem sido conseguida ^8.

Nas duas últimas décadas, tem havido avanços significativos nas sínteses e aplicações de nanocristais coloidais ^9-11. No entanto, a compreensão de como os núcleos nanopartículas, crescer e interagir uns com os outros em líquidos é largamente empírica e, principalmente, com base em análises ex situ ^11-13. Nosso desenvolvimento de célula TEM líquido oferece uma plataforma única para estudar os processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos em ^5,7,14,15 situ.

Nós fabricar uma célula de líquido auto-suficiente utilizando ultra-finas bolachas de silício (100 um), por um processo sequencial de microfabricação. Ele inclui a deposição de silício membrana de nitreto, padronização fotolitográfica, gravura wafer, deposição espaçador, e célulacolagem, etc Cerca de 50 nanolitros de a solução de reacção é carregado dentro de um reservatório, o qual é puxado para dentro da célula por força de capilaridade. Enchemos o outro reservatório com outras 50 nanolitros de líquido. Subsequentemente, a célula é selado e carregado para o microscópio para a imagiologia in situ. No interior do microscópio, o líquido entre duas membranas de nitreto de silício (total de cerca de 30 picolitros) podem ser examinadas. Quando o feixe de elétrons passa através da camada de líquido fino, processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos pode ser monitorado em tempo real. A nucleação e crescimento de nanopartículas pode ser induzida pelo feixe de electrões, em alguns casos ^5,7 ou reacções pode ser desencadeada por uma fonte de aquecimento externa ^14,16. Quando o dano por feixe de electrões é uma preocupação, a corrente de feixe de electrões baixa (dose) deve ser usado.

Uma vez que as células de líquido são fabricadas a partir de processos de microfabricação de silício e em grandes lotes, variações na membrana ou líquidosespessura entre as células individuais podem ser líquidos ^l6 smal. Qualquer pesquisador que tem formação básica pode microfabricação fazer com sucesso células líquidos. A técnica de manuseamento de líquidos e in situ TEM operação pode também ser dominado depois do treino. É de notar que além de utilizar membranas de nitreto de silício como as janelas de visualização, outros materiais tais como dióxido de silício, silício ou de carbono (incluindo o grafeno) pode ser usado como a janela de membrana, bem ^17-19. Uma vez que as nossas células líquidos utilizando pequenas janelas de visualização, isto é, 1 x 50 mm, sem abaulamento das membranas tem sido observada. E, a célula de líquido também é robusto para operar, ou seja, abaixo de 1% das células de líquido ter quebrado janelas durante os experimentos. Além disso, a espessura da camada de líquido pode também ser ajustado de forma flexível, alterando a espessura do espaçador de índio depositado. Durante a preparação da amostra, uma célula de líquido fechado possa manter líquidos durante vários dias, sem fugas. A pequena quantidade de líquido podeser examinada por várias horas sob o feixe de electrões, o que permite o estudo de uma reacção química estendida, em tempo real.

Até agora, temos visualizadas exclusivos processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos, por exemplo, o crescimento e coalescência das nanopartículas de Pt ^5,15, a difusão de nanopartículas em líquidos finos ^20,21, flutuação crescimento de nanopartículas Bi ^14, e crescimento de Pt ₃ nanorods Fé a partir de blocos de construção de nanopartículas ^7, etc Além disso, temos também aplicou este método para outras áreas, por exemplo, as proteínas de imagem em água líquida, com 2,7 nm de resolução ^8. Em resumo, a nossa técnica TEM líquido celular foi provado ser um desenvolvimento muito importante para o estudo de uma ampla gama de questões fundamentais em ciência de materiais, física, química e biologia. Acreditamos que ainda há grande espaço para futuros avanços técnicos e aplicações da TEM líquido e certamente será um impa altact em um amplo espectro de pesquisa científica.