Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study <em>in Situ</em> Nanocrystal Etching

Matthew R. Hauwiller; Justin C. Ondry; A. Paul Alivisatos

doi:10.3791/57665

JoVE Journal > Chemistry

Kimya

Usando Graphene líquido celular microscopia eletrônica de transmissão para estudar em Situ Nanocrystal gravura

Published: May 17, 2018

doi:

10.3791/57665

Matthew R. Hauwiller¹, Justin C. Ondry¹, A. Paul Alivisatos^1,2,3,4

¹Kimya Bölümü,University of California-Berkeley, ²Department of Material Science and Engineering,University of California-Berkeley, ³Kavli Energy NanoScience Institute, ⁴Materials Sciences Division,Lawrence Berkeley National Laboratory

Özet

Microscopia eletrônica de grafeno líquido celular pode ser usada para observar a dinâmica de nanocrystal em um ambiente líquido com maior resolução espacial do que outras técnicas de microscopia eletrônica de células de líquido. Gravura premade nanocristais e seguindo sua forma usando grafeno líquido celular microscopia eletrônica de transmissão pode render informações mecanicistas importantes sobre transformações de nanopartículas.

Abstract

Microscopia eletrônica de grafeno líquido célula fornece a capacidade de observar a nanoescala transformações químicas e dinâmica como as reações ocorrem em ambientes líquidos. Este manuscrito descreve o processo de tomada de grafeno células líquido através do exemplo de grafeno líquido celular microscopia eletrônica de transmissão experimentos (TEM) de ouro nanocrystal gravura. O protocolo para fazer grafeno células líquidas envolve revestimento a ouro, sala de concertos-carbono grades TEM com grafeno de deposição de vapor químico e em seguida, usando aquelas grades de grafeno-revestido para encapsular líquido entre duas superfícies de grafeno. Esses bolsões de líquido, com os nanomateriais de interesse, são fotografadas no microscópio para ver a dinâmica do processo de nanoescala, neste caso a gravura oxidativa de ouro nanorods. Controlando a taxa de dose de feixe de elétrons, que modula a espécie de gravura na célula líquida, os mecanismos subjacentes de como os átomos são removidos do nanocristais para formar as formas e facetas diferentes podem ser melhor compreendidos. Célula de líquido de grafeno TEM tem as vantagens de alta resolução espacial, compatibilidade com tradicional TEM de titulares e os custos de arranque baixa para grupos de pesquisa. Limitações atuais incluem a preparação da amostra delicadas, falta de capacidade de vazão e a dependência de produtos Radiolise geradas por feixe de elétrons para induzir reações. Com desenvolvimento e controle, célula de líquido de grafeno pode tornar-se uma técnica onipresente em nanomateriais e biologia, e é já está sendo usado para estudar os mecanismos que regem a crescimento, gravura e auto-montagem processos de nanomateriais em líquido sobre o nível de partícula única.

Introduction

Botija, sintetizando nanocristais¹ e montagem de nanopartículas em maiores estruturas²^,³ exigem a compreensão dos mecanismos fundamentais que regem como átomos e nanopartículas interagem e ligar juntos. Idealmente, estudos desses processos de escala nanométrica seria realizados em seu ambiente nativo líquido com a correspondente resolução espacial necessária observar o fenômeno de interesse, mas estes requisitos constituem desafios devido à duração do nanômetro escala em que estes sistemas operam. Pesquisadores têm desejado por muito tempo usar a resolução espacial de microscopia eletrônica para estes processos de imagem, mas o alto vácuo da coluna do microscópio de elétron requer encapsulamento da solução líquida⁴. Algumas primeiras experiências de microscópio eletrônico célula líquido encapsulado líquido entre dois silício nitreto membranas⁵^,⁶^,⁷^,⁸, e este método tornou-se um comercialmente disponível técnica para estudar processos dinâmicos nanoescala.

Os titulares do TEM célula líquido nitreto silício comercialmente disponíveis têm fornecido a resolução necessária para ver e compreender uma variedade de fenômenos interessantes em nanoescala¹⁰^,⁹^,¹¹^,¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶. alguns detentores TEM célula líquido comercial tem recursos adicionais, tais como aquecimento, fluxo, e conexões elétricas que ainda expandir o Reino de processos de nanoescala que pode ser investigado. No entanto, com todos esses recursos, os sistemas comerciais não são otimizados em torno de alcançar a mais alta resolução espacial. Para pesquisadores que necessitam de melhor resolução espacial, diminuindo a espessura de janela e diminuindo a espessura líquida são duas rotas potenciais para menos dispersão do feixe de elétron e melhor resolução¹⁷. Alguns grupos que utilizam células líquido de nitreto de silício fabricam suas próprias janelas que produz maior controle sobre a janela e espessuras de líquido. ¹⁸ a diminuição da dispersão dessas células líquido caseiro permitiu estudos de microscopia eletrônica com maior resolução espacial, incluindo estudos de resolução atômica¹⁹^,²⁰^,²¹.

Desde que a espessura do material do encapsulamento é um aspecto que afeta negativamente a resolução espacial dos experimentos do líquido celular, atomicamente finos, baixa-Z materiais tais como o grafeno seria ideais encapsulando materiais²²^, ²³. folhas de grafeno são ainda é fortes o suficiente para proteger os bolsos líquidos a diferença de pressão da coluna. Além disso, esses bolsões de líquido celular de grafeno geralmente contêm mais finas camadas de líquido, aumentando ainda mais a resolução espacial alcançável. Muitos processos de nanoescala interessantes foram investigados com grafeno líquido células incluindo estudos seguindo trajetórias de faceta de nanopartículas e dinâmica de nanopartículas com resolução atômica²³^,²⁴^,²⁵ ^,²⁶^,²⁷. Uma vantagem não intencional da técnica da célula de líquido de grafeno é que esta alta resolução espacial pode ser alcançada sem exigir a compra de um titular de temperatura diferente ou fabricação especializada de silício. Experimentos utilizando células de nitreto de silício que alcançado alta resolução também necessárias nanopartículas grandes composto de átomos pesados, Considerando que a resolução adquirida pela célula de líquido de grafeno pode fornecer resolução atômica para sub-2 nm nanopartículas²⁵. Além disso, a célula de líquido de grafeno abriu oportunidades para estudar amostras biológicas com microscopia eletrônica devido a natureza flexível do grafeno para encapsulamento de²⁸^,²⁹ e a capacidade de grafeno para atenuar alguns dos efeitos nocivos do elétron feixe³⁰. Devido a estas vantagens, microscopia eletrônica de grafeno líquido celular tem potencial para tornar-se uma técnica padrão na Comunidade de nanociência, uma vez que o maior número de pesquisadores entende melhor se esta técnica pode ajudar a sua investigação e como aplicar Esta técnica.

Pesquisadores em outros campos desejando a resolução espacial das transformações em situ , nanomaterial, biológico e químico podem beneficiar empregando a técnica de microscopia eletrônica do grafeno líquido celular. Esse método em situ é especialmente valioso para os processos de desequilíbrio que exigem visualização durante a transformação. Uma desvantagem significativa das técnicas de temperatura líquida da célula é a geração de espécies Radiolise pelo elétron perturbativas feixe³¹, que pode induzir alterações indesejáveis nas amostras delicadas. Pesquisadores desenvolveram modelos para tentar quantificar a química orientado em feixe³¹^,³², e estão a ser desenvolvidas estratégias para atenuar esses efeitos³⁰^,³². Célula de líquido de grafeno TEM tem o desafio adicional de ser frágil e muitas vezes difícil de fazer, especialmente para pesquisadores de novo para a técnica. O objetivo deste artigo é compartilhar os detalhes de como a célula de líquido de grafeno TEM experiências pode ser realizado (Figura 1), usando um exemplo experiência observando a gravura única partícula de nanocristais e espero mostrar a célula de líquido de grafeno as experiências são possíveis para quase qualquer grupo com acesso a um microscópio eletrônico. O protocolo irá cobrir o revestimento de grafeno de grades, formação de células de líquido, uso de temperatura para célula de líquido de grafeno gravura experiências e técnicas de análise de imagem. Passos críticos no tornando as células como o tamanho da gota de líquido encapsulado, consideração cuidadosa do conteúdo de solução líquida, e uso de grafeno de transferência directa apenas será coberto com conselhos adicionais sobre a forma de evitar a repetição das armadilhas da pesquisadores anteriores. Grafeno líquido celular TEM é uma técnica emergente para a investigação de nanoescala, e este artigo permitirá novos operadores começar a utilizar esta técnica.

Protocol

1. fazendo revestido de grafeno TEM grades Cortar um aproximadamente 2 cm2 pedaço de premade grafeno-em-cobre (ver Tabela de materiais) que se encaixa o grades de temperatura de cerca de 6 a 8.Nota: Usando o 3 – 5-camada grafeno em vez de única camada de grafeno encapsula líquidos bolsos com maiores taxas de sucesso sem perder resolução. Como o grafeno é um material fino atomicamente, baixo-Z, mais perda de resolução é de espessura de líquido para líquido células de grafeno. Limpe o grafeno usando uma lavagem de acetona (Figura 2A).Nota: Este passo é projetado para remover qualquer residual PMMA [poly(methyl methacrylate)] esquerda na superfície de grafeno durante o processo de deposição. Se o usuário está confiante que sua grafeno é limpo, este passo é desnecessário. Coloque o pedaço de grafeno-em-cobre em um prato de Petri de vidro e encha-a com acetona.Nota: A acetona é usada porque PMMA se dissolve na acetona. Aquece lentamente a solução de acetona (~ 50 ° C) por 5 min, agitando a solução periodicamente.Nota: Certifique-se de assistir a acetona e a temperatura para evitar um incêndio. Isso deve ser feito de uma coifa. Retire o pedaço de grafeno-em-cobre da lavagem de acetona com pinças e substituir a acetona com acetona, limpa e nova.Nota: Tenha cuidado para não raspar ou qualquer outra forma danificar a superfície de grafeno com a pinça. Repita o processo de lavagem, um total de 3 vezes. Deixe o grafeno-em-cobre secar ao ar completamente antes de ir para a próxima etapa. Suavizar o pedaço de grafeno-em-cobre para remover quaisquer rugas macroscópicas (Figura 2B).Nota: Este processo de suavização é realizado para garantir que as grelhas de folhas-TEM suporte perfurada (consulte a Tabela de materiais) são capazes de relacionar adequadamente à superfície de grafeno. Solavancos e vincos no grafeno-em-cobre tornam difícil manter bom contato. Pegue duas lâminas de vidro limpo e coloque uma compressa dobrada (ver Tabela de materiais) sobre a lâmina de vidro de fundo. Sobre a limpeza, coloque o pedaço de grafeno-em-cobre. Finalmente, coloque a segunda lâmina de vidro na parte superior.Nota: Coloque o pedaço de grafeno-em-cobre com o grafeno para cima (lâmina de vidro comovente) para evitar arranhões causa da limpeza do tecido. O tecido dobrado é usado para gradualmente eliminar as rugas e evitar dobrar nos novos vincos. Pressione a corrediça superior, gradualmente suavização de olheiras na parte de grafeno-em-cobre. Reduzir o número de dobras no tecido e repita o processo de prensagem. Continue o processo até uma pressão final entre as lâminas de dois vidros com nenhuma limpeza do tecido. Estabelecer redes TEM o pedaço de grafeno-em-cobre (Figura 2). Lugar do carbono amorfo holey apoio grades de temperatura da folha (ver Tabela de materiais) para baixo sobre o grafeno com o carbono amorfo em contacto com o grafeno.Nota: Tenha cuidado para não entortar ou deformar grades TEM quando pegá-los com a pinça. Grades de Bent TEM não ligar corretamente para o grafeno. Pegando as grades pela borda da grade impede a deformação das grades. Aqui, grades de ouro TEM são usados para evitar a gravura das redes durante o passo que remove o cobre o grafeno-em-cobre. Coloque algumas gotas de isopropanol nas grades.Nota: Se qualquer grades ficam em compromisso, delicadamente movê-los com a ponta de uma pinça depois de colocar o isopropanol nas grades. Tenha cuidado para não danificar a superfície de grafeno. Deixar secar por 2 + h para fazer grades de certeza que estão devidamente ligados. Este processo de secagem traz o sala de concertos carbono amorfo para melhor contato com o grafeno.Nota: Para verificar se as grades aderiram do grafeno, suavemente pegar o pedaço de grafeno-em-cobre e vire de cabeça para baixo. Se a gravidade não remove as grades, eles devem ser adequadamente lig. Condicione o cobre usando uma solução de persulfato de sódio (Figura 2D). Faça uma solução com 1 g de persulfato de sódio em 10 mL de água desionizada. Usando uma pinça, coloque cuidadosamente a peça de grafeno-em-cobre sobre a solução de persulfato de sódio com o lado de cobre para baixo. Deixe o peça flutuar no topo da solução de persulfato de sódio (Figura 2D). Manter a solução com grades revestidas grafeno sentado durante a noite. Observe que a solução se tornará azul como o cobre gravura em àgua forte, e não haverá nenhum cobre visível atrás da folha de grafeno, quando terminou de gravura (Figura 2E). Lave as grades para limpar o persulfato de sódio. Retire as grelhas flutuantes da solução e colocá-los em cima de limpo, deionizada água (consulte Tabela de materiais para filtro) em uma segunda placa de Petri.Nota: O método mais fácil para transferir as grades envolve o uso de uma lâmina de vidro para pegar as grades e em seguida, colocando-os para baixo na segunda placa de Petri cheia de água. Algumas grades vão cair para o fundo da caixa de Petri durante o processo de transferência. Este é geralmente um sinal de que o grafeno no grid é rachado ou outros danos. Repita este processo 3 vezes para retirar todos os resíduos de persulfato de sódio as grades de grafeno-revestido. Pegar as grades com uma pinça, coloque o lado do grafeno grades em um papel de filtro e deixe-os secar.Nota: Esta transferência final da lavagem de água pode ser difícil, como as grades muitas vezes manter a pinça, devido à força capilar da água residual. 2. tornar líquido celular bolsos Tomar duas grades TEM grafeno-revestido e colocá-los lado grafeno acima sobre uma lâmina de vidro. Usando uma lâmina de bisturi cirúrgico pequeno, corte a extremidade de um dos revestidos de grafeno TEM grades, aproximadamente 1/4 a 1/8 da área da grade (Figura 3A).Nota: Corte uma das grades é a hipótese de trazer o grafeno nas duas grades em contacto mais próximo, para proporcionar melhor interação de grafeno-grafeno para bolsos de forma. Prepare a solução a ser encapsulado.Nota: A solução é específica para o nanocrystal experimento de condicionamento. Fazer a solução de HCl de tampão Tris com água desionizada numa concentração entre 10-100 mM.Nota: Achamos que, para a preparação de soluções aquosas de nanopartículas metálicas, tampão Tris que HCL leva a uma maior taxa de sucesso de bolsos estáveis, embora mais estudos são necessários para entender o porque do buffer Tris HCl ajuda fazer bolsos estáveis. Usando a base de tampão Tris ou sem tampão Tris, que ambos parecem ter muito mais baixas taxas de sucesso da formação de bolso neste caso. Cada solvente e amostra provavelmente exigirá otimização para encontrar as condições que criam estáveis bolsos enquanto não disrupting a química que está sendo estudada. Um breve estudo da literatura mostra sucesso com orto-diclorobenzeno/oleylamine (proporção de 9:1),23 0.5 x Tris-borato-EDTA (TBE) e 200 mM solução de NaCl,33 e aquosa 0,15 M NaCl solução30 , bem como o tampão aquosa de Tris HCl sistema apresentado aqui. Faça uma solução de FeCl3 de 40 mM em uma solução de água desionizada com 1,8 µ l de HCl por mL de água.Nota: O FeCl3 é o condicionador para este experimento de condicionamento. Outras experiências podem adicionar soluções diferentes, dependendo da experiência sendo executada. Fazer ouro nanorods e concentrar a amostra de nanorod após a limpeza1,34. Misturar 0,15 mL de 0.01-0.1 mM Tris HCl de Buffer, 0,1 mL de FeCl3 de 40 mM em HCl e 10 µ l de nanorods. Coloque gotas de ~0.5 µ l da solução a ser encapsulado na grelha não-corte revestido de grafeno TEM. Use uma pinça para segurar a borda da grade TEM ao colocar a gota para que as forças capilares não pegue a grade TEM (Figura 3B).Nota: Tenha cuidado para fazer a gota tão pequena quanto possível e colocá-lo como perto do centro da grade quanto possível. Rapidamente e com cuidado Coloque a grade TEM grafeno-revestido com o canto cortado em cima da gota; o objetivo é ter a segunda grade vem para descansar em cima da primeira grade com nenhum líquido ser corrido (Figura 3).Nota: Ter a segunda grade já colocou na pinça auto-fechamento pode fazer esse processo mais rápido e fácil. Este é sem dúvida a etapa mais complicada do processo de formação de líquido celular com muitas falhas potenciais que podem ocorrer. Definindo a grade superior para baixo enquanto retira a pinça é um desafio, como uma pinça pode ficar preso entre as duas grades. Em geral, colocando uma borda da grade superior TEM para baixo e então gradualmente largar da grade funciona melhor. Observe que se o líquido é visto sobre a lâmina de vidro, então os bolsos provavelmente não Veda adequadamente. Espere 5 minutos para deixar grafeno líquido celular bolsos forma.Nota: Alguns evaporação do líquido pode ocorrer como os bolsos estão se formando, mas uma vez que é formada uma vedação hermética, sem perda de líquido adicional é provável. A concentração relativa de cada espécie em solução deve permanecer constante. Levar a amostra para a temperatura para a imagem latente.Nota: A quantidade de tempo reservada para selagem varia de pesquisador para pesquisador. Para experiências de gravura, menos tempo antes de trazer a célula de líquido para a temperatura é desejável evitar pre-gravura. 3. carregamento e Imaging Graphene líquido celular Nota: A operação do microscópio de elétron da transmissão seguiu os procedimentos padrão encontrados no manual do usuário. Cada TEM terá procedimentos de alinhamento diferente. Lugar da célula de grafeno líquido em um único TEM tradicional incline o suporte (Figura 4).Nota: Outros suportes padrão tais como dupla inclinação titulares ou titulares de aquecimento pode ser usado também. Os titulares que usam um mecanismo de parafuso, como para fixar a grelha TEM podem impor uma força de cisalhamento que destrói a célula de líquido de grafeno. Carrega o titular TEM na coluna a TEM.Nota: Desde a célula de grafeno líquido contém um pequeno volume de líquido com nenhum reservatório e tem bolsos separados, não há nenhuma necessidade de rigorosamente verificar se há vazamentos como experiências de líquido pilha de nitreto de silício. Mesmo se um bolsão de líquido celular de grafeno estourar, apenas uma pequena quantidade de líquido é liberada e assim não iria falhar o sistema de vácuo TEM. Use as nanopartículas e o carbono amorfo na amostra corretamente alinhar o feixe TEM (inclinação de arma, alinhamento de abertura do condensador e condensador stigmation), e (Z-altura ajuste, stigmation objetiva, alinhamento do centro de rotação e a aberração de imagem corrector de ajuste, se for o caso). Em seguida, remover o titular do percurso do feixe e calibrar a taxa de dose de feixe de elétrons. Ligue o filamento TEM pelo menos 20 min antes da calibração para permitir que ele se estabilize para taxas de dose podem ser reproduzidos; Este tempo de espera pode ser diferente dependendo do sistema de temperatura e o tipo de canhão de elétrons.Nota: Microscopistas eleição geralmente usam taxa de dose para referir-se ao número de elétrons emitido por unidade de área por unidade de tempo (e–/Å2s). Na comunidade química radiação, isto é conhecido como a densidade de fluxo e taxa de dose é definida como a quantidade de energia absorvida por unidade de área por unidade de tempo. Desde a calcular a quantidade de energia absorvida por uma amostra é difícil para geometrias complexas, encontradas em células do líquido, e para manter a consistência com a Comunidade TEM, nós escolhemos usar taxa de dose para se referir aos elétrons por unidade de área por unidade de tempo. Condense o feixe ao montante mais condensada, a mais alta taxa de dose, necessária para o experimento usando a tela de visualização (Figura 5A). Ler e salvar lente atual para o feixe de condensado.Nota: Para obter as etapas 3.3.2 para 3.3.5, um script personalizado Micrografia digital foi escrito que assume o controle do sistema de condensador da TEM para calibrar a segunda lente de condensador (C2) atual com a taxa de dose de elétron entregues. Isso permite que o pesquisador reproducibly definir a taxa de dose de elétron para valores arbitrários durante o experimento. Espalhe o feixe para a maior quantidade de propagação, mais baixa taxa de dose, necessário para o experimento usando a tela de visualização (Figura 5B). Ler e salvar a lente atual para o feixe de difusão. Divida o intervalo das correntes de lente do condensador em 10 valores igualmente espaçados e coletar imagens para cada valor de lente do condensador com a câmera do CCD. Converta CCD contagens para usando a calibração de sensibilidade e ampliação do CCD para cada lente atual de taxa de dose. Use dados de fluxo de elétrons em correntes de lente diferente para fazer uma curva de calibração. Use esta curva de calibração para o resto do experimento para controlar o feixe de elétrons para o fluxo desejado. Re-inserir a amostra para o caminho do feixe. Começa à procura de nanopartículas nos bolsos do líquido, mantendo a taxa de dose baixa (geralmente em torno de 20 e–/Å2s).Nota: Manter a taxa de dose baixa impede que as nanopartículas gravura enquanto busca de nanopartículas. Quando uma nanopartícula encontra-se em um bolso de líquido, ajuste o foco sobre as nanopartículas, mantendo uma taxa de dose baixa.Nota: Determinar se uma nanopartícula é no bolso líquido pode ser complicado, mas a presença de bolhas ou movimento das partículas é muitas vezes um bom sinal de uma bolsa de líquido estável. Às vezes, ao invés de líquido, os bolsos assemelham-se a um gel muito denso com bolhas extremamente lentamente. Estas situações são causadas pela evaporação do líquido potencialmente devido bolsos sem lacre ou rachaduras do grafeno. É bastante fácil de distinguir entre géis com nenhum movimento e líquido ambientes com bolhas rapidamente se movendo e mudando de forma. Pode haver alguma evaporação durante a formação de bolsas de bom líquido celular, mas relativas concentrações entre reagentes permanece constante. Uso a calibração curva (ver passo 3.3 para isso) para definir a lente condensadora atual para a taxa de dose desejada (Figura 5).Nota: Um script interno é usado para definir a lente condensadora atual e parâmetros de aquisição de imagem Começa a colecionar uma série temporal de imagens TEM com metadados de selos de taxa e tempo de dose incorporado no arquivo de imagem. Depois de finalizado a partícula gravura, espalhar o feixe e começar a olhar para outras nanopartículas nos bolsos líquidos. Quando uma quantidade suficiente de nanopartículas gravando vídeos foram recolhidos, remova o titular TEM a temperatura padrão TEM procedimentos a seguir. Leve a célula de líquido de grafeno fora titular TEM.Nota: Uma sessão de imagem típica dura cerca de 2-3h com aproximadamente 30 vídeos tomadas. O número de vídeos com dados utilizáveis depende da qualidade dos bolsos e tipo de experimento de condicionamento. 4. imagem análise de vídeos TEM usando Software computacional Nota: Desde que TEM vídeos são 2-dimensional projeções de formas 3-dimensional, análise cuidadosa da imagem precisa ser feito para extrair gravura taxas ou alterações da forma. Converter os nativos DM3 arquivos de vídeo para um avi formato usando o ImageJ e importar os vídeos avi em software computacional (ver Tabela de materiais). Analise cada nanorod em cada quadro do vídeo. Determine o contorno do nanorod pela limiarização da imagem (Figura 7A).Nota: O alto contraste das nanopartículas metálicas facilita a análise de imagem. Para estudar sistemas com menor contraste, filtros adicionais podem ser necessários antes de limiarização. Desde o esboço do nanorod, determine o eixo maior e menor da elipse mais próximo de ajuste (Figura 7B).Nota: O software de análise de imagem interna para determinar o eixo principal e secundária assume que a forma é uma elipse. Para um nanorod, que não é uma elipse, estes valores não devem ser usados quando nanopartículas de dimensionamento. Use o eixo principal para cortar o contorno de nanorod em duas metades (Figura 7). Com cada uma dessas metades, determine o volume e a área de superfície da forma abrangida girando aquele contorno ao redor do eixo principal.Nota: Este método de cálculo é às vezes referido como o método dos anéis. Este método de análise só funciona se o nanorod é simétrica em torno do eixo principal. Ter duas metades para comparar volumes e áreas de superfície fornece algumas garantias de que o nanorod é verdadeiramente rotacional simétrica. Depois de extrair o volume e a área de superfície da nanorod para cada quadro do vídeo, compilar e interpretar os dados.Nota: Este método de estrutura de tópicos permite também a análise das facetas de nanocristais com formas definidas.

Representative Results

Quadros de um vídeo representativo de um nanorod gravura sob uma taxa de dose de feixe de elétrons de 800 e–/ Å s2são mostrados na Figura 6. A solução requer cerca de 20 s da iluminação do feixe antes que o nanorod começa a sofrer ataque oxidativo. Depois que o nanorod começa a gravura, a taxa de remoção de átomos permanece constante, enquanto o nanorod também mantém uma proporção constante. Os nanorods normalmente não têm movimento significativo durante os vídeos, que é consistente com trabalhos anteriores de líquido celular TEM usando nanopartículas deste tamanho24. Desde que as nanopartículas não mexer muito, bolha geração e circulação de bolha geralmente são as melhores maneiras para determinar se uma nanopartícula é no bolso líquido. Como o nanorod torna-se pequeno, o nanorod começa a girar e mover-se dentro e fora do plano focal, confirmando que o nanorod está em um ambiente líquido. A falha mais comum de células de líquido de grafeno é a incapacidade para encapsular estáveis bolsões de líquido. Às vezes isso pode levar a secar completamente caracterizado por sem bolhas e sem movimento de nanopartículas ou alteração de tamanho de bolso. Além disso, um bolso pode começar com líquido e bolhas mas depois secar antes que as nanopartículas completamente gravura em àgua forte. Geralmente para uma boa célula de líquido, cada bolso é estável por cerca de 2-3 min a taxa de dose de gravura, e secagem de bolso só se torna um problema para grandes nanopartículas ou processos de gravura lento. Às vezes, líquido pode evaporar-se de um bolso e deixar para trás uma solução gelatinosa com uma concentração muito alta de sal. Estes geles são geralmente aparentes quando de imagem devido ao alto contraste da solução e extremamente lento movimento de partículas e bolhas. Dados coletados nestas soluções gelatinosa não são confiáveis. Depois de coletar o líquido celular dados de temperatura, são analisados os vídeos com gravura de nanopartículas. Os volumes, áreas de superfície e facetas (se aplicável) podem ser extraídas e avaliaram mais (Figura 7). Uma indicação de um bolso de secagem é substancial a diminuir a taxa de ataque ao longo do tempo, por conspirar o volume contra o tempo pode ser um método eficaz para verificar a estabilidade do bolso e confiabilidade dos dados. Outros resultados suboptimal incluem não-simétrica gravura indicativo do conteúdo do bolso não homogênea e indesejável precipitação de espécies de hidróxido de ferro desde o condicionador de cloreto de ferro. Em geral, a chave mais importante para sucesso grafeno células líquido é um ambiente líquido estável que conduz a dinâmica nanocrystal reproduzíveis sobre vários nanopartículas e bolsos líquidos. Figura 1 . Diagrama esquemático da célula de líquido de grafeno técnica TEM. (A) para montar uma célula de líquido do grafeno, uma gota de solução é colocada em uma grade TEM carbono holey revestido de grafeno. Uma segunda grade de grafeno-revestido é colocada em cima da gota para formar um bolso. Note que esta imagem não é a escala e a gota de líquido é muito grande cerca de 33%. (B) Zoomed-no diagrama esquemático de um bolso líquido durante a imagem latente TEM de ouro nanorods. Este cartoon é também não está à escala. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2 . Processo de tomada de grafeno revestido grades TEM (A) lavar o grafeno-em-cobre peça em acetona quente (B) remoção de rugas macroscópicas por achatamento grafeno-em-cobre entre duas lâminas de vidro. Um tecido é colocado sob a peça de grafeno-em-cobre por forma a não dobrar em novas rugas. (C) colocação grades de carbono amorfo holey TEM no grafeno-em-cobre com lado de carbono amorfo de grades TEM tocando o grafeno. (D) flutuando cobre/grafeno/TEM grades sobre condicionador de persulfato de sódio. Isto remove o cobre as grades. (E) grafeno revestido grades TEM após decapagem do cobre. A solução é azul e ainda sobrou nenhum cobre nas grades revestidas de grafeno. Para referência de tamanho, o diâmetro do vidro de Petri é cerca de 6 cm e a lâmina de vidro é de 7,5 cm por 2,5 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3 . Processo de tomada de grafeno células líquidas (A) duas revestido de grafeno TEM grades preparados sobre uma lâmina de vidro com uma borda cortaram um deles. O bisturi cirúrgico usado para cortar a grade está no canto superior direito da imagem. (B) gotas da solução em uma grade de grafeno revestido de encapsulamento. A gota na grade superior do tamanho certo e fez uma bela pérola sobre o grafeno. A gota na grelha inferior tem sangrado através do grafeno, possivelmente devido a uma rachadura do grafeno. (C) segunda grade revestida de grafeno colocado no topo primeira grade com gotículas de solução. Esta célula de líquido de grafeno está agora pronta para carregar em um TEM. Para referência de tamanho, a lâmina de vidro é de 7,5 cm por 2,5 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4 . Carregar celular líquido de grafeno no suporte de inclinação única padrão TEM. a célula de líquido de grafeno se encaixa em um suporte de temperatura padrão único-inclinação da mesma forma que uma grade de temperatura normal se encaixa no suporte. Para referência de tamanho, a grade TEM tem um diâmetro de 3 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5 . Controle do feixe TEM. (A) condensado, feixe de elétrons para calibração de taxa de dose visualizada usando a tela fluorescente. (B) feixe de elétrons expandidas para calibração de taxa de dose visto usando a tela fluorescente. Intensidade diminui à medida que os elétrons por área por tempo diminuem pelo feixe de elétrons é muito fraco. Curva de calibração (C) relativas a taxa de dose de feixe de elétrons para a lente condensadora atual. Esta curva de calibração é usada para controlar a taxa de dose do feixe durante a imagem latente. (D) parâmetros usados quando coletando vídeos TEM de nanopartículas nas células de líquido de grafeno. Valores específicos utilizados para cada parâmetro podem mudar dependendo do material que está sendo fotografado e a resolução necessária. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6 . Nanorod ouro, gravando em um bolso de líquido celular de grafeno. Quadros de um vídeo TEM representante de um nanorod de ouro gravura sob taxa de dose de 800 e–/ Å s2. Após um período inicial de nenhuma gravura, o nanorod grava-se a uma taxa constante. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 7 . Método para a análise de quadros de vídeo (A) delineando a nanorod usando limiarização em software de análise de imagem. (ver Tabela de materiais) Isto separa as nanopartículas de segundo plano e fornece uma forma de análise quantitativa. (B) determinar os eixos principais e secundárias do nanorod. (C) extração de cada metade do contorno 2D corte ao longo do eixo principal. Usando estes contornos, reconstrua a forma 3D girando o contorno ao redor do eixo x. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Microscopia eletrônica de grafeno líquido celular podem fornecer informações mecanicistas sobre crescimento de nanocrystal e gravura com alta resolução espacial, mas desde que tornando grafeno células de líquido pode ser difícil e delicada, a técnica requer atenção aos detalhes para extrair dados utilizáveis. Mesmo após extensa prática tornando grafeno células líquidas, apenas cerca de meio a um quarto das células líquidos feitos com sucesso encapsule a solução líquida. O passo crítico na formação de células de líquido está colocando a segunda grade em cima da gota de líquido. Erros comuns incluem ficando a pinça presa entre as duas grades, soltando a segunda grade muito longe fora do centro e começando com uma gota que seja demasiado grande. Desde que o conjunto de células de líquido de grafeno é delicado e requer habilidades motoras finas, geralmente requer prática tornar com sucesso os bolsos do líquido. Devido ao gasto de grades de temperatura revestido de grafeno, é altamente recomendável que novo líquido de grafeno celular primeiro treino usuários a célula líquida, tornando o processo nas grades de carbono amorfo, cobre tradicional TEM de poupar dinheiro.

Determinar as causas da falha para células de líquido pode ser um desafio porque um pesquisador pode não saber se cada etapa foi bem sucedida até a amostra no final de imagem, e erros, como coçar o grafeno, podem passar despercebidos. O erro mais fácil de identificar é uma montagem imprópria porque o pesquisador imediatamente verá vazando líquido fora da célula de líquido de grafeno. Problemas com fazer do grafeno em grelhas de cobre, como rachas do grafeno, podem ser mais difícil de identificar. A qualidade do grafeno pode ser verificada antes e após o revestimento das grelhas TEM usando Espectroscopia Raman, mas geralmente o grafeno é inutilizável após este teste. Além disso, é importante usar a transferência directa de grafeno, porque as duas faces do grafeno sendo colocado juntos precisam de ser limpas para formar adequadamente um selo através de forças de Van der Waals. Fazer o grafeno-revestido grades através de métodos de transferência de polímero pode deixar resíduo de polímero no lado do grafeno que é esperado a ligação juntos. Se o procedimento correto é seguido usando as correto TEM grades, falta de sucesso com a célula de líquido de grafeno é geralmente devido ao manuseio incorreto do grafeno e grades durante a montagem e fabricação.

Grafeno líquido celular que tem avanços técnicas existentes de TEM líquido celular usando um muito mais fino material de encapsulamento que pode usado em qualquer titular TEM tradicional, tornando alta resolução e trajetória da faceta experimentos de rastreamento mais fácil. Com a resolução de silício comercial nitreto membrana líquida células, grande parte da faceta e informações cinéticas que podem ser alcançadas por gravura nanocristais na célula de líquido de grafeno estaria perdido. Experimentos de líquido celular TEM também podem ser realizados em único existente de grafeno incline titulares TEM sem a necessidade de caros novos titulares especializados. Além disso, a célula de líquido de grafeno pode ser colocada em qualquer suporte que aceita amostras-padrão TEM grade permitindo experimentos de célula de líquido a ser realizado em avançados titulares (aquecimento dupla inclinação, refrigeração, crio, meio) onde líquido de nitreto de silício células não foram concebidas. Além disso, células de líquido de grafeno não representam o risco de cair no vácuo da coluna TEM se os bolsos a ruptura como outras técnicas de temperatura líquida da célula. Embora a célula de líquido de grafeno não é uma técnica onipresente nos campos de nanocrystal ainda, sua facilidade de uso e resolução espacial irá torná-lo muito mais amplamente utilizado no futuro.

Mesmo com suas muitas vantagens, grafeno líquido célula TEM tem limitações sobre os tipos de experiências que podem ser executadas. Um líquido evaporar como bolsos forma, por isso é difícil de determinar exatamente a concentração das espécies em solução, mesmo sem considerar os efeitos do feixe de elétron. Células de líquido de grafeno também têm tamanhos aleatórios, alturas e distribuições de pequenas bolsas, para que células de fluxo de nitreto de silício têm a vantagem de mais concentrações quantificáveis de pre-feixe e camadas de líquido grandes e uniformes. Conforme descrito neste trabalho, apenas pré-carregado amostras podem ser vistas usando grafeno célula líquido na temperatura, por isso não é possível a fluir em outras soluções para acionar as reações químicas. As espécies de Radiolise geradas pela interação do feixe de elétron com a solução líquida são o único gatilho que pode ser usado para iniciar uma reação. Embora não demonstrado ainda, termicamente iniciados processos podem ter sido causados em células de líquido de grafeno usando suportes de aquecimento padrão. Efeitos de Radiolise induzida por feixe de elétrons são ainda não totalmente compreendidos e podem ser difícil de controlar. Pesquisadores desenvolveram modelos cinéticos para determinar o conteúdo de célula líquido bolsos depois feixe interação³¹^,³², mas sua exatidão é limitada pelo número de reações incluído no modelo e qualquer concentração desconhecida mudanças devido à secagem. Conteúdo de bolso inicial complexa com muitas espécies reagentes como FeCl₃, tampão Tris e até mesmo grafeno³⁰, pode ser difícil compreender inteiramente usando um modelo cinético. Uma outra desvantagem de microscopia eletrônica de células de líquido é que é difícil caracterizar a composição dos cristais formados durante processos dinâmicos. Por exemplo, em experimentos de crescimento de sistemas multicomponentes, pode ser impossível distinguir o que fases ou espécies estão crescendo se o novos nanocristais são amorfo ou não no eixo da zona. Este é outro motivo gravura pré-formado nanocristais de composição conhecida sentado em um eixo zona conhecida é desejável. Finalmente, existem ainda alguns argumentos que induzida por feixe de reações em uma célula de líquido de grafeno não representam as condições de reações ex situ num balão.

Grafeno futuro líquido celular experiências ajudará a aliviar algumas destas preocupações, enquanto usar também TEM novo avanços para mais sondar os mistérios subjacentes de nanocristais. Correlativo ex situ nanocrystal síntese e experimentos de gravura será fundamentais para corroborar os mecanismos vistos nos experimentos de líquido celular TEM. Também, os pesquisadores começaram a trabalhar na adição de capacidades de fluxo de grafeno líquido celular TEM³⁵ e tornando mais bolsos controlado³⁶ incluindo matrizes de grafeno líquidas células usando Litograficamente preparado buracos³⁷. Avanços na microscopia eletrônica resolução e câmera velocidade fará grafeno líquido celular mais capaz de estudar a dinâmica atômica durante nanocrystal transformações. Pequenas bolsas de líquido em um material atomicamente fino como o grafeno para uso em microscopia eletrônica tem uma infinidade de aplicações potenciais e, sem dúvida, se tornará um grampo de nanociência pesquisa no futuro.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

O trabalho foi apoiado pelo departamento de energia dos EUA, escritório de ciência, escritório de ciências básicas energia, Ciências dos materiais e divisão de engenharia, sob contrato n º DE-AC02-05-CH11231 dentro da físico-química inorgânica Nanostructures programa (KC3103).

Materials

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

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Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy Nanocrystal Etching Nanomaterials TEM Copper Sodium Persulfate Holey Amorphous Carbon In Situ Imaging High Spatial Resolution

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Hauwiller, M. R., Ondry, J. C., Alivisatos, A. P. Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching. J. Vis. Exp. (135), e57665, doi:10.3791/57665 (2018).