Ze komen niet snel naar een multiplex bij jou in de buurt, maar films die de groei van platina-nanokristallen op atomaire schaal in realtime laten zien, hebben een kaskrakerpotentieel. Een team van wetenschappers met het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California (UC) Berkeley heeft een techniek ontwikkeld om vloeistoffen van nanokristallen in te kapselen tussen lagen grafeen, zodat chemische reacties in de vloeistoffen in beeld kunnen worden gebracht met een elektronenmicroscoop . Met deze techniek, films kunnen worden gemaakt die ongekende directe observaties geven van fysieke, chemische en biologische fenomenen die plaatsvinden in vloeistoffen op nanometerschaal.

"Het kijken naar realtime chemische reacties in vloeistoffen op atomaire schaal is een droom voor scheikundigen en natuurkundigen, " zegt Jungwonpark, een lid van het team dat gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de scheikundeafdeling van UC Berkeley. "Met behulp van onze nieuwe grafeen vloeibare cel, we zijn in staat om een ​​kleine hoeveelheid vloeibaar monster onder hoogvacuüm vast te leggen voor het maken van real-time films van groeireacties van nanodeeltjes. Omdat grafeen chemisch inert en extreem dun is, onze vloeibare cel biedt realistische monsteromstandigheden voor het bereiken van een hoge resolutie en contrast."

Park was de hoofdauteur, samen met Jong Min Yuk, van een artikel in het tijdschrift Wetenschap dat dit onderzoek beschrijft met de titel "High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells." Het onderzoek werd gedaan als een samenwerking tussen de onderzoeksgroepen van Paul Alivisatos, directeur van Berkeley Lab en UC Berkeley's Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie, en Alex Zettl, die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, waar hij leiding geeft aan het Center of Integrated Nanomechanical Systems. Beiden zijn corresponderende auteurs van het Science paper samen met Jeong Yong Lee van Korea's Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Andere auteurs waren Peter Ercius, Kwanpyo Kim, Daniel Hellebusch en Michael Crommie.

Door een elektronenstraal te gebruiken in plaats van een lichtstraal voor verlichting en vergroting, elektronenmicroscopen kunnen objecten honderden en zelfs duizenden malen kleiner "zien" dan wat met een optische microscoop kan worden opgelost. Echter, elektronenmicroscopen kunnen alleen in een hoog vacuüm werken, omdat moleculen in de lucht de elektronenstraal verstoren. Omdat vloeistoffen in hoog vacuüm verdampen, vloeibare monsters moeten hermetisch worden afgesloten in speciale vaste containers - cellen genaamd - met een kijkvenster voordat ze in een elektronenmicroscoop kunnen worden afgebeeld. Tot nu, dergelijke vloeibare cellen hebben kijkvensters gemaakt van siliciumnitride of siliciumoxide. Hoewel dit studies mogelijk heeft gemaakt van enkele fenomenen op nanoschaal in vloeistoffen, de op silicium gebaseerde celvensters zijn te dik om een ​​sterke penetratie door de elektronenstraal mogelijk te maken en dit heeft een beperkte resolutie tot slechts enkele nanometers. Naast het niet toestaan ​​van echte atomaire resolutie, de dikke celvensters op basis van silicium lijken ook de natuurlijke toestand van de vloeistof of het in de vloeistof gesuspendeerde monster te verstoren.

"Grafeen is een enkel koolstofatoom in dikte, waardoor het een van de dunste bekende membranen is, " zegt Park, een lid van de Alivisatos' onderzoeksgroep. "Het verstrooit de elektronenbundel niet, maar laat het door. grafeen is ook erg sterk en ondoordringbaar, maar ook chemisch niet-reactief, en dit helpt het monster in de vloeibare cel te beschermen tegen de hoogenergetische bundel van een elektronenmicroscoop."

Om hun grafeen vloeibare cel te maken, de samenwerking tussen Alivisatos en Zettl omvatte een platinagroeioplossing tussen twee gelamineerde grafeenlagen die waren opgehangen over gaten in een conventioneel transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) -raster. Het grafeen werd gekweekt op een koperfoliesubstraat via chemische dampafzetting en vervolgens direct overgebracht op een gouden TEM-gaas met een geperforeerde amorfe koolstofdrager. De platinagroeioplossing werd direct gepipetteerd bovenop twee met grafeen gecoate TEM-roosters die in tegengestelde richtingen waren gericht.

"Bij het bevochtigen van het systeem, de oplossing stroomt tussen de grafeen- en amorfe koolstoflagen, waardoor een van de grafeenvellen los kan komen van het bijbehorende TEM-raster, " zegt co-auteur Kim, een lid van de Zettl-onderzoeksgroep. "Omdat de van derWaals-interactie tussen grafeenplaten relatief sterk is, vloeistofdruppels met een dikte van zes tot 200 nanometer kunnen veilig worden opgesloten in een zak of blister tussen de grafeenvellen."

Om hun grafeen vloeibare cellen te testen, de medewerkers gebruikten 's werelds krachtigste elektronenmicroscoop, het TEAM I van het National Center for Electron Microscopy (NCEM), die is gehuisvest in Berkeley Lab. TEAM staat voor Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope en het TEAM I-instrument is in staat om beelden te produceren met een half-angstrom-resolutie, die kleiner is dan de diameter van een enkel waterstofatoom. Met TEAM I en hun nieuwe grafeen vloeibare cellen, de Alivisatos-Zettl-samenwerking was in staat om direct te observeren met de hoogst mogelijke resolutie tot nu toe en met minimale monsterverstoring, de groei van nanokristallen van platina, een van de beste metaalkatalysatoren die tegenwoordig worden gebruikt.

"Directe beeldvorming met atomaire resolutie stelde ons in staat kritieke stappen in het platina-nanokristalgroeiproces te visualiseren, waaronder een groot aantal voorheen onverwachte verschijnselen, zoals locatieselectieve coalescentie, structurele omvorming na samensmelting, en oppervlaktefacetten, ' zegt Parket.

Drie jaar geleden, Park en Alivisatos maakten deel uit van een team dat een andere TEM bij NCEM en vloeibare cellen met siliciumnitridevensters gebruikte om de allereerste beelden vast te leggen van colloïdale platina-nanokristallen die in oplossing groeien met een resolutie van subnanometer. Hun resultaten toonden aan dat terwijl sommige kristallen in oplossing gestaag in grootte groeiden via klassieke kiemvorming en aggregatie - wat betekent dat moleculen botsen en samenkomen - andere met horten en stoten groeiden, gedreven door "samensmeltingsgebeurtenissen, " waarin kleine kristallen willekeurig botsen en samensmelten tot grotere kristallen. Ondanks hun duidelijk verschillende groeitrajecten, deze twee processen leverden uiteindelijk nanokristallen op van ongeveer dezelfde grootte en vorm.

"In dat eerdere onderzoek echter, we misten de resolutie om volledig te begrijpen hoe deze nanodeeltjes samensmelten en hun vorm reorganiseren in het coalescentiegroeitraject, " zegt Park. "Met de vloeibare grafeencellen die we in dit onderzoek gebruikten, we waren in staat om de georiënteerde samensmelting langs een specifieke kristalrichting op te lossen en te zien hoe ze hun algehele structuur in een definitieve vorm reorganiseerden."

Met de grafeen vloeibare cellen en de grotere resolutie van TEAM I, de Alivisatos-Zettl-samenwerking was in staat om waar te nemen dat de meeste coalescentiegebeurtenissen in dezelfde kristallografische richting verlopen - het {111} vlak van het kristal. Dit wijst op een specifieke nanokristaloriëntatie voor coalescentie die nog niet eerder is gezien in metalen nanodeeltjes.

"We waren in staat om atomistische rangschikking op te lossen op het moment dat twee van de platina-nanodeeltjes samensmolten en georiënteerde hechting visualiseren, een fenomeen dat bekend staat als een van de belangrijkste groeimechanismen van anisotrope deeltjes, Park zegt. "Deze georiënteerde samensmelting kan een van de vormingsmechanismen zijn achter een ander fenomeen dat we hebben waargenomen, dubbele grenzen, die optreedt wanneer nanodeeltjes samensmelten in dezelfde {111} richting maar op een spiegelvlak in het kristal."

In de toekomst, de medewerkers zijn van plan hun vloeibare grafeencellen te gebruiken om de groei van veel verschillende soorten nanodeeltjes te bestuderen, inclusief metalen, halfgeleiders en andere nuttige materialen. De grafeencellen kunnen ook worden toegepast op biomaterialen, zoals DNA en eiwitten, die van nature in oplossing bestaan.

"De grafeenmembranen van één atoom dik zijn ideaal voor het inkapselen van vloeistoffen, " zegt co-auteur Ercius, de NCEM-medewerker die voor dit onderzoek de TEAM I-microscoop heeft gebruikt. "In combinatie met de aberratie-gecorrigeerde beeldvorming van TEAM I, we kunnen het ultieme beeldcontrast en resolutie bereiken voor in-situ vloeistofexperimenten. De grafeen-vloeistofceltechniek zou gemakkelijk kunnen worden toegepast op andere elektronenmicroscopen en ik denk dat het een belangrijke rol zal spelen bij het beantwoorden van vragen over de synthese van materialen in vloeistoffen op atomaire schaal."