يمكن استخدام الجرافين الخلية السائلة الميكروسكوب الإلكتروني لمراقبة ديناميات نانوكريستال في بيئة سائلة مع القرار المكانية أكبر من تقنيات الميكروسكوب الإلكتروني الخلية السائلة الأخرى. النقش premade نانوكريستالس ويلي شكلها استخدام الجرافين سائل الخلية “مجهر إلكتروني” يمكن أن تسفر عن معلومات ميكانيكية هامة حول التحولات نانوحبيبات.
الجرافين الخلية السائلة الميكروسكوب الإلكتروني يوفر القدرة على مراقبة النانو التحولات الكيميائية وديناميات كردود الفعل التي تحدث في البيئات السائلة. ويصف هذه المخطوطة عملية لجعل خلايا السائل الجرافين من خلال مثال الجرافين الخلية السائلة مجهر إلكتروني تجارب (TEM) للنقش بالذهب نانوكريستال. البروتوكول المتعلق بصنع الجرافين خلايا السائل ينطوي على طلاء الذهب، المخرمة الكربون شبكات تيم مع الجرافين ترسب البخار الكيميائي ومن ثم استخدام تلك الشبكات المغلفة الجرافين لتغليف السائل بين اثنين الجرافين السطوح. هذه الجيوب من السائل، مع نانوماتيريال للفائدة، يتم تصويرها في المجهر الإلكتروني لمعرفة ديناميات عملية النانو، في هذه الحالة النقش الأكسدة من الذهب نانورودس. بالتحكم في معدل الجرعة شعاع الإلكترون، الذي ينظم هذه الأنواع النقش في الخلية السائلة، يمكن فهم الآليات الكامنة لكيفية إزالة ذرات من نانوكريستالس شكل مختلف أوجه وأشكال أفضل. الجرافين سائل الخلية تيم مزايا عالية الدقة المكانية، والتوافق مع أصحاب TEM التقليدية، وتكاليف بدء التشغيل منخفضة للمجموعات البحثية. وتشمل القيود المفروضة حاليا على إعداد عينة حساسة، عدم القدرة على التدفق، والاعتماد على منتجات radiolysis المولدة بواسطة شعاع الإلكترون للحث على ردود الفعل. مع مزيد من التطوير والتحكم، قد تصبح الخلية السائل الجرافين تقنية في كل مكان في المواد النانوية، وعلم الأحياء، وهو قيد الاستخدام بالفعل لدراسة آليات تنظم النمو والنقش، والتجميع الذاتي العمليات للمواد النانوية في السائل على مستوى واحد من الجسيمات.
توليف كنترولبلي نانوكريستالس1 وتجميع جسيمات نانوية في أكبر هياكل2،3 يقتضي فهم الآليات الأساسية التي تحكم كيف تتفاعل الذرات والجسيمات النانوية وربط معا. ومن الناحية المثالية، الدراسات المتعلقة بهذه العمليات النانو سيكون أداؤها في بيئتهم الأصلية السائل مع القرار المكانية المقابلة اللازمة لمراقبة الظواهر التي تهم، ولكن هذه المتطلبات تمثل تحديات بسبب طول نانومتر النطاق الذي تعمل هذه النظم. الباحثين قد الطويل المطلوب لاستخدام القرار المكانية الميكروسكوب الإلكتروني لصورة هذه العمليات، ولكن الفراغ ارتفاع العمود المجهر الإلكتروني يتطلب تغليف السائل الحل4. بعض التجارب المجهر الإلكتروني الخلية السائلة المبكر تغليف السائل بين اثنين السليكون نتريد الأغشية5،6،،من78، وهذه الطريقة أصبحت الآن متاحة تجارياً تقنية لدراسة عمليات النانو الحيوية.
ووفرت نيتريد السيليكون المتاحة تجارياً الخلية السائلة تيم أصحاب القرار اللازم لرؤية وفهم مجموعة متنوعة من الظواهر المثيرة للاهتمام على النانو9،10،،من1112 , 13 , 14 , 15 , 16-بعض أصحاب تيم الخلية السائلة التجارية لديهم قدرات إضافية مثل تدفئة، التدفق، والوصلات الكهربائية المزيد من توسيع نطاق عمليات النانو التي يمكن أن تحقق. ومع ذلك، مع كل من هذه الإمكانيات، ليست الأمثل النظم التجارية حول تحقيق أعلى دقة المكانية. للباحثين التي تحتاج إلى تحسين الاستبانة المكانية وتناقص سمك الإطار وتناقص سمك السائل هي الطرق المحتملة اثنين إلى تشتت شعاع الإلكترون وأفضل قرار17أقل. اختﻻق بعض الجماعات الذين يستخدمون خلايا السائل نتريد السليكون الخاصة بهم windows التي تعطي سيطرة أكبر على النافذة وسمك السائل. 18 مكن انخفاض نثر هذه الخلايا السائلة المنزلية الصنع دراسات المجهر الإلكتروني مع أكبر القرار المكانية، بما في ذلك القرار الذري دراسات19،،من2021.
منذ سمك مواد التغليف هو أحد الجوانب التي يؤثر سلبا على القرار المكانية للتجارب الخلية السائلة، المواد رقيقة الذرة، من الألف إلى الياء منخفضة مثل الجرافين سيكون أمرا مثاليا تغليف المواد22، 23-صحائف الجرافين التي لا تزال قوية بما يكفي لحماية جيوب السائل من اختلاف الضغط في العمود. وبالإضافة إلى ذلك، هذه الجيوب الخلية السائل الجرافين عادة ما تحتوي أرق طبقات السائل، مواصلة تعزيز القرار المكانية يمكن تحقيقه. العديد من عمليات النانو مثيرة للاهتمام قد تم التحقيق مع خلايا السائل الجرافين بما في ذلك الدراسات التالية مسارات نانوحبيبات جانبا وديناميات نانوحبيبات مع القرار الذري23،24،25 ،،من2627. ميزة غير مقصودة لتقنية الخلية السائل الجرافين أن هذا القرار المكانية العالية يتحقق دون الحاجة إلى شراء مختلف تيم حامل أو تصنيع السيليكون المتخصصة. مطلوب تجارب باستخدام خلايا نيتريد السيليكون التي تحقق دقة عالية أيضا جسيمات نانوية كبيرة تتكون من ذرات ثقيلة، حين القرار المكتسبة بالخلية الجرافين السائلة يمكن أن توفر القرار الذري ل nm sub-2 جسيمات نانوية25. بالإضافة إلى ذلك، فتحت الخلية السائل الجرافين الفرص لدراسة عينات بيولوجية مع الميكروسكوب الإلكتروني نظراً للطابع المرن الجرافين لتغليف28،29 وقدرة الجرافين للتخفيف بعض من الآثار المدمرة للإلكترون شعاع30. ونظرا لهذه المزايا، قد الجرافين الخلية السائلة الميكروسكوب الإلكتروني يمكن أن تصبح تقنية قياسية في علم المجتمع بمجرد إعداد أكبر من الباحثين فهم أفضل لما إذا كان هذا الأسلوب يمكن أن يساعد البحث وكيفية تطبيق هذا الأسلوب.
الباحثون في الكيميائية، نانوماتيريال، والبيولوجية، والحقول الأخرى ورغبة منها في القرار المكانية للتحولات في الموقع يمكن الاستفادة من توظيف تقنية المجهر الإلكتروني الخلية السائل الجرافين. هذا الأسلوب في الموقع ذات قيمة خاصة لعمليات عدم التوازن التي تتطلب مجموعة المرئيات أثناء التحويل. عيب كبير واحد من تقنيات تيم الخلية السائلة هو جيل الأنواع راديوليسيس بالإلكترون بيرتورباتيفي شعاع31، التي يمكن أن تحدث تغييرات غير مرغوب فيها في العينات الدقيقة. قد طور الباحثون نماذج لمحاولة تحديد31،يحركها شعاع الكيمياء32، ويجري وضع استراتيجيات للتخفيف من حدة هذه الآثار30،32. وقد الجرافين سائل الخلية تيم التحدي الإضافي المتمثل في كونها هشة وغالباً ما تكون صعبة لجعل، خاصة بالنسبة للباحثين جديدة إلى التقنية. والهدف من هذه المادة هو لتبادل تفاصيل كيفية تجارب خلايا السائل الجرافين تيم يمكن الاضطلاع بها (الشكل 1)، واستخدام مثال تجربة مراقبة الجسيمات واحد النقش من نانوكريستالس، ونأمل أن تظهر الخلية السائل الجرافين التجارب ممكنة لما يقرب من أي مجموعة مع الوصول إلى مجهر الإلكتروني. سوف يشمل البروتوكول طلاء الجرافين الشبكات، وتشكيل خلايا السائل، استخدام تيم للخلية السائل الجرافين النقش التجارب، وتقنيات تحليل الصورة. خطوات حاسمة في جعل الخلايا السائلة مثل حجم الحبرية مغلفة، النظر بعناية في مضمون الحل السائل، واستخدام الجرافين النقل المباشر فقط سيتم تغطية إضافية المشورة بشأن كيفية تجنب تكرار مطبات الباحثين السابقة. الجرافين سائل الخلية تيم أسلوب ناشئة لأبحاث النانو، وهذه المادة سوف تمكين الوافدين الجدد للبدء في استخدام هذا الأسلوب.
الجرافين الخلية السائلة الميكروسكوب الإلكتروني يمكن أن توفر المعلومات آليا حول النمو نانوكريستال والنقش مع عالية الدقة المكانية، ولكن نظراً لجعل الجرافين خلايا السائل يمكن أن تكون صعبة ودقيقة، التقنية تتطلب الاهتمام بالتفاصيل إلى استخراج بيانات قابلة للاستخدام. وحتى بعد ممارسة واسعة النطاق مما يجعل الجرافين خلايا السائل، فقط حوالي نصف إلى ربع خلايا السائل الصنع بنجاح تغليف الحل السائل. أن الخطوة الحاسمة في تشكيل خلايا السائل هو وضع الشبكة الثانية على رأس الحبرية السائل. تتضمن الأخطاء الشائعة الحصول على ملاقط عالقة بين الشبكتين، إسقاط الشبكة الثانية جداً الآن خارج المركز، والبدء بمعالجة تجميعية كبيرة جداً. منذ الجمعية العامة خلايا السائل الجرافين حساس ويتطلب المهارات الحركية الدقيقة، وعادة ما يستغرق الممارسة جعل جيوب السائل بنجاح. بسبب نفقات شبكات تيم المغلفة الجرافين، ينصح أن الخلية الجديدة الجرافين السائل الممارسة الأولى المستخدمين الخلية السائلة عملية صنع القرار على الكربون النحاس، غير متبلور التقليدية تيم الشبكات لتوفير المال.
تحديد أسباب الفشل لخلايا السائل يمكن أن يكون تحديا نظراً لأن باحث قد لا نعرف إذا كانت كل خطوة ناجحة حتى التصوير العينة في النهاية، والأخطاء، مثل الخدش الجرافين، يمكن أن تمر مرور الكرام. الخطأ أسهل لتحديد تجميع غير لائق لأنه سيري الباحث فورا تسرب السائل خارج الخلية السائل الجرافين. مشاكل مع جعل الجرافين في شبكات النحاس، مثل تكسير الجرافين، يمكن أن تكون أكثر صرامة لتحديد. يمكن التحقق من نوعية الجرافين سواء قبل أو بعد طلاء تيم الشبكات باستخدام مطيافية رامان، ولكن الجرافين عادة غير قابل للاستخدام بعد هذا الاختبار. بالإضافة إلى ذلك، من المهم أن استخدام الجرافين النقل المباشر لأن وجوه اثنين من الجرافين ويجري وضع معا بحاجة إلى أن تكون نظيفة لتشكيل ختم عن طريق فإن دير فالس القوات بشكل صحيح. مما يجعل الشبكات المغلفة الجرافين من خلال أساليب نقل البوليمر قد تترك بقايا البوليمر على جانب الجرافين التي من المتوقع أن السندات معا. إذا تم اتباع الإجراء الصحيح باستخدام الشبكات تيم الصحيح، عدم النجاح مع الخلية السائل الجرافين عادة بسبب سوء الجرافين والشبكات خلال الجمعية وتلفيق.
استخدام الجرافين الخلية السائلة تيم تقدم التقنيات تيم الخلية السائلة الموجودة باستخدام مادة تغليف أرق كثير الذي يمكن في أي حامل تيم التقليدية، مما يجعل عالية الدقة ومسار جوانب التجارب تتبع أسهل بكثير. مع هذا قرار خلايا السليكون التجارية نتريد الأغشية السائلة، سيكون الكثير من الأوجه والحركية من المعلومات التي يمكن أن تتحقق بالنقش نانوكريستالس في الخلية السائل الجرافين المفقودة. الجرافين يمكن أيضا إجراء تجارب تيم الخلية السائلة على واحد موجود إمالة أصحاب تيم يلغي الحاجة إلى أصحاب متخصصة جديدة مكلفة. علاوة على ذلك، يمكن وضع الخلية السائل الجرافين في أي حامل أن يقبل المتقدم عينات قياسية من شبكة ال السماح لتجارب خلايا السائل المراد تنفيذها في أصحاب (تدفئة، ضعف إمالة، والتبريد، والبرد، cathodoluminescence) حيث السائل نيتريد السيليكون لم تصمم الخلايا. وبالإضافة إلى ذلك، لا تشكل خلايا السائل الجرافين خطر تحطمها فراغ العمود تيم إذا تمزق الجيوب مثل تقنيات تيم الخلية السائلة الأخرى. على الرغم من أن الخلية السائل الجرافين ليس أسلوباً في كل مكان في حقول نانوكريستال حتى الآن، وسهولة الاستخدام والمكانية القرار سيجعل من أكثر استخداماً في المستقبل.
حتى مع مزاياها العديدة، الجرافين سائل الخلية تيم على قيود على أنواع التجارب التي يمكن القيام بها. تتبخر بعض السائل جيوب النموذج، ولذلك فمن الصعب تماما تحديد تركيز الأنواع في الحل، حتى بدون النظر في آثار شعاع الإلكترون. وقد الجرافين خلايا السائل أيضا أحجام عشوائي ومرتفعات وتوزيعات من جيوب صغيرة، حيث نيتريد السيليكون تدفق الخلايا لديها ميزة أكثر تركيزات شعاع قبل قابلة للقياس الكمي وطبقات السائل كبيرة وموحدة. العينات التي تم تحميلها مسبقاً فقط كما هو موضح في هذا العمل، يمكن عرضها باستخدام الجرافين الخلية السائلة في ال، حيث من غير الممكن أن تتدفق في حلول أخرى لتحريك التفاعلات الكيميائية. الأنواع radiolysis الناتجة عن تفاعل شعاع الإلكترون مع الحل السائلة هي المشغل فقط التي يمكن استخدامها لبدء من ردود فعل. على الرغم من أن لم يثبت حتى الآن، يمكن أن تسبب حرارياً بدأت العمليات في خلايا السائل الجرافين استخدام أصحاب تدفئة القياسية. آثار radiolysis المستحثة بشعاع الإلكترون، لا تزال غير مفهومة تماما ويمكن أن يكون من الصعب السيطرة عليها. لقد طور الباحثون نماذج الحركية لتحديد محتويات الخلية السائلة جيوب بعد شعاع التفاعل31،32، ولكن دقتها محدودة بالعدد من ردود الأفعال المدرجة في النموذج وأي تركيز غير معروف التغييرات بسبب التجفيف. محتويات الجيب الأولى معقدة مع العديد من الأنواع في رد الفعل مثل فيكل3، تريس المخزن المؤقت، وحتى من الجرافين،30، يكون من الصعب على فهم كامل باستخدام نموذج حركية. عيب آخر من الخلية السائلة الميكروسكوب الإلكتروني أنه من الصعب وصف تكوين بلورات شكلت أثناء العمليات الحيوية. على سبيل المثال، في تجارب النمو من أنظمة متعددة المكونات، قد يكون من المستحيل التمييز بين ما المراحل أو الأنواع تزداد إذا نانوكريستالس جديدة غير متبلور أو لا على محور المنطقة. وهذا سبب آخر لماذا النقش نانوكريستالس سابق التشكيل من تشكيل المعروفة يجلس على محور منطقة معروفة من المرغوب فيه. وأخيراً، لا تزال هناك بعض الحجج أن ردود الفعل الناجمة عن شعاع في خلية سائل الجرافين لا تمثل شروط الموقع السابقين من ردود الفعل في قارورة.
خلية سائل الجرافين المستقبل التجارب سوف يساعد على التخفيف من بعض هذه الشواغل حين أيضا استخدام تيم الجديد سلف لمزيد التحقيق أسرار نانوكريستالس الكامنة. الارتباطية السابقين الموقع توليف نانوكريستال وتجارب الحفر ستكون حاسمة في مساندة الآليات التي ينظر في تجارب تيم الخلية السائلة. أيضا، بدأ الباحثون العمل على إضافة قدرات تدفق إلى الجرافين خلية سائل ال35 وجعل أكثر الجيوب التي تسيطر عليها36 بما في ذلك صفائف الجرافين خلايا السائل باستخدام ليثوجرافيكالي إعداد الثقوب37. سوف تجعل التقدم في سرعة القرار والكاميرا الميكروسكوب الإلكتروني الجرافين السائلة خلية أخرى قادرة على دراسة ديناميات الذري خلال التحولات نانوكريستال. التفاف جيوب صغيرة من السائل في مادة الذرة رقيقة مثل الجرافين للاستخدام في الميكروسكوب الإلكتروني لديها العديد من التطبيقات المحتملة ولا شك في أن تصبح عنصرا أساسيا لبحوث علم في المستقبل.
The authors have nothing to disclose.
وأيده العمل وزارة الطاقة في الولايات المتحدة، ومكتب العلوم ومكتب العلوم الأساسية في الطاقة، وعلوم المواد والشعبة الهندسية، تحت “رقم العقد” دي-AC02–05–CH11231 في الكيمياء الفيزيائية لبرنامج النانو غير العضوية (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 |