Net zoals eiwitten een van de fundamentele bouwstenen van de biologie zijn, nanodeeltjes kunnen dienen als basisbouwstenen voor materialen van de volgende generatie. In overeenstemming met deze parallel tussen biologie en nanotechnologie, een beproefde techniek voor het bepalen van de driedimensionale structuren van individuele eiwitten is aangepast om de 3D-structuren van individuele nanodeeltjes in oplossing te bepalen.

Een multi-institutioneel team van onderzoekers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een nieuwe techniek ontwikkeld genaamd "SINGLE" die de eerste beelden op atomaire schaal van colloïdale nanodeeltjes levert. ENKEL, wat staat voor 3D Structure Identification of Nanoparticles door Graphene Liquid Cell Electron Microscopy, is gebruikt om de 3D-structuren van twee afzonderlijke platina-nanodeeltjes in oplossing afzonderlijk te reconstrueren.

"Het begrijpen van structurele details van colloïdale nanodeeltjes is vereist om onze kennis over hun synthese te overbruggen, groei mechanismen, en fysieke eigenschappen om hun toepassing op hernieuwbare energie te vergemakkelijken, katalyse en een groot aantal andere gebieden, " zegt Berkeley Lab-directeur en gerenommeerde nanowetenschapsautoriteit Paul Alivisatos, die dit onderzoek leidde. "Terwijl de meeste structurele studies van colloïdale nanodeeltjes in een vacuüm worden uitgevoerd nadat de kristalgroei is voltooid, onze SINGLE-methode stelt ons in staat om hun 3D-structuur in een oplossing te bepalen, een belangrijke stap om het ontwerp van nanodeeltjes voor katalyse- en energieonderzoekstoepassingen te verbeteren."

Alivisatos, die ook de Samsung Distinguished Chair in Nanoscience and Nanotechnology bekleedt aan de University of California Berkeley, en leidt het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley (Kavli ENSI), is de corresponderende auteur van een artikel over dit onderzoek in het tijdschrift Wetenschap . Het artikel is getiteld "3D-structuur van individuele nanokristallen in oplossing door elektronenmicroscopie." De leidende co-auteurs zijn Jungwon Park van Harvard University, Hans Elmlund van de Monash University in Australië, en Peter Ercius van Berkeley Lab. Andere co-auteurs zijn Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Zong Hoon Han, David Weitz en Alex Zettl.

Colloïdale nanodeeltjes zijn clusters van honderden tot duizenden atomen gesuspendeerd in een oplossing waarvan de collectieve chemische en fysische eigenschappen worden bepaald door de grootte en vorm van de individuele nanodeeltjes. Beeldvormingstechnieken die routinematig worden gebruikt om de 3D-structuur van individuele kristallen in een materiaal te analyseren, kunnen niet worden toegepast op gesuspendeerde nanomaterialen omdat individuele deeltjes in een oplossing niet statisch zijn. De functionaliteit van eiwitten wordt ook bepaald door hun grootte en vorm, en wetenschappers die 3D-eiwitstructuren wilden afbeelden, stonden voor een soortgelijk probleem. Het eiwitbeeldvormingsprobleem werd opgelost door een techniek genaamd "single-particle cryo-electron microscopy, " waarin tienduizenden 2D-transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)-beelden van identieke kopieën van een individueel eiwit of eiwitcomplex, bevroren in willekeurige oriëntaties, worden opgenomen en vervolgens computationeel gecombineerd tot 3D-reconstructies met hoge resolutie. Alivisatos en zijn collega's gebruikten dit concept om hun SINGLE-techniek.

"In de materiaalkunde we kunnen niet aannemen dat de nanodeeltjes in een oplossing allemaal identiek zijn, dus moesten we een hybride benadering ontwikkelen voor het reconstrueren van de 3D-structuren van individuele nanodeeltjes, " zegt co-lead auteur van de Wetenschap papier Peter Ercius, een stafwetenschapper bij het National Center for Electron Microscopy (NCEM) bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"SINGLE vertegenwoordigt een combinatie van drie technologische ontwikkelingen van TEM-beeldvorming in biologische en materiaalwetenschap, Ercius zegt. "Deze drie vorderingen zijn de ontwikkeling van een vloeibare grafeencel die TEM-beeldvorming mogelijk maakt van nanodeeltjes die vrij in oplossing roteren, directe elektronendetectoren die films kunnen produceren met milliseconden frame-to-frame tijdresolutie van de roterende nanokristallen, en een theorie voor ab initio enkele deeltje 3D-reconstructie."

De grafeen-vloeistofcel (GLC) die dit onderzoek mogelijk heeft gemaakt, is ook ontwikkeld in Berkeley Lab onder leiding van Alivisatos. TEM-beeldvorming gebruikt een elektronenstraal in plaats van licht voor verlichting en vergroting, maar kan alleen worden gebruikt in een hoog vacuüm omdat moleculen in de lucht de elektronenstraal verstoren. Omdat vloeistoffen in hoog vacuüm verdampen, monsters in oplossingen moeten hermetisch worden afgesloten in speciale stevige containers - cellen genaamd - met een zeer dun kijkvenster voordat ze worden afgebeeld met TEM. Vroeger, vloeibare cellen hadden op silicium gebaseerde kijkvensters waarvan de dikte de resolutie beperkte en de natuurlijke staat van de monstermaterialen verstoorde. De GLC die in het Berkeley-lab is ontwikkeld, heeft een kijkvenster dat is gemaakt van een grafeenplaat die slechts één atoom dik is.

"De GLC biedt ons een ultradunne bedekking van onze nanodeeltjes terwijl de vloeibare omstandigheden in het TEM-vacuüm behouden blijven, ", zegt Ercius. "Omdat het grafeenoppervlak van de GLC inert is, het adsorbeert of verstoort de natuurlijke staat van onze nanodeeltjes niet."

Werken bij TEAM I van NCEM, 's werelds krachtigste elektronenmicroscoop, ercius, Alivisatos en hun collega's waren in staat om in situ de translatie- en rotatiebewegingen van individuele nanodeeltjes van platina met een diameter van minder dan twee nanometer in beeld te brengen. Platina-nanodeeltjes werden gekozen vanwege hun hoge elektronenverstrooiingssterkte en omdat hun gedetailleerde atomaire structuur belangrijk is voor katalyse.

"Onze eerdere GLC-studies van platina-nanokristallen toonden aan dat ze groeien door aggregatie, resulterend in complexe structuren die niet kunnen worden bepaald met een eerder ontwikkelde methode, Ercius zegt. "Aangezien SINGLE zijn 3D-structuren ontleent aan afbeeldingen van individuele nanodeeltjes die vrij in oplossing roteren, het maakt de analyse mogelijk van heterogene populaties van mogelijk ongeordende nanodeeltjes die in oplossing worden gesynthetiseerd, waardoor een middel wordt geboden om de structuur en stabiliteit van defecten op nanoschaal te begrijpen."

De volgende stap voor SINGLE is het herstellen van een volledige 3D-kaart met atomaire resolutiedichtheid van colloïdale nanodeeltjes met behulp van een geavanceerdere camera die op TEAM I is geïnstalleerd en die 400 frames per seconde en een betere beeldkwaliteit kan leveren.

"We zijn van plan defecten in nanodeeltjes van verschillende materialen in beeld te brengen, kern shell deeltjes, en ook legeringen gemaakt van twee verschillende atoomsoorten, ' zegt Ercius.