Многопрофильная группа исследователей во главе с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) (Лаборатория Беркли) разработала новую технику, названную «SINGLE», которая обеспечивает первые изображения коллоидных наночастиц в атомном масштабе. SINGLE, что означает «3D-структурная идентификация наночастиц с помощью графеновой жидкостной клеточной электронной микроскопии», был использован для раздельной реконструкции трехмерных структур двух отдельных наночастиц платины в растворе.
«Понимание структурных деталей коллоидных наночастиц необходимо для объединения наших знаний об их синтезе, механизмах роста и физических свойствах, чтобы облегчить их применение в возобновляемых источниках энергии, катализе и во многих других областях», — говорит директор лаборатории Беркли и специалист по нанотехнологиям Пол Аливисатос (Paul Alivisatos). кто руководил этим исследованием. «В то время как большинство структурных исследований коллоидных наночастиц проводится в вакууме после завершения роста кристаллов, наш ЕДИНЫЙ метод позволяет нам определить их трехмерную структуру в растворе, что является важным шагом на пути к совершенствованию конструкции наночастиц для катализа и исследований в области энергетики».Аливисатос, который также занимает почетную кафедру Samsung в области нанонауки и нанотехнологий в Калифорнийском университете в Беркли и руководит Институтом нанонаук Kavli Energy в Беркли (Kavli ENSI), является автором статьи, подробно описывающей это исследование, в журнале Science. Работа называется «Трехмерная структура индивидуальных нанокристаллов в растворе с помощью электронной микроскопии». Ведущими соавторами являются Юнгвон Парк из Гарвардского университета, Ханс Элмлунд из австралийского университета Монаш и Питер Эрсиус из лаборатории Беркли.
Другими соавторами являются Чон Мин Юк, Дэвид Лиммер, Цянь Чен, Кванпио Ким, Сан Хун Хан, Дэвид Вайц и Алекс Зеттл.Коллоидные наночастицы представляют собой кластеры из сотен и тысяч атомов, взвешенных в растворе, совокупные химические и физические свойства которых определяются размером и формой отдельных наночастиц. Методы визуализации, которые обычно используются для анализа трехмерной структуры отдельных кристаллов в материале, не могут быть применены к взвешенным наноматериалам, поскольку отдельные частицы в растворе не статичны.
Функциональность белков также определяется их размером и формой, и ученые, которые хотели получить трехмерное изображение белковых структур, столкнулись с аналогичной проблемой. Проблема визуализации белков была решена с помощью метода, называемого «криоэлектронная микроскопия единичных частиц», при котором записываются десятки тысяч 2D-изображений с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) идентичных копий отдельного белка или белкового комплекса, замороженных в случайных ориентациях. затем вычислительно объединены в 3D-реконструкции с высоким разрешением. Аливисатос и его коллеги использовали эту концепцию для создания своей техники SINGLE.
«В материаловедении мы не можем предполагать, что все наночастицы в растворе идентичны, поэтому нам потребовалось разработать гибридный подход для реконструкции трехмерных структур отдельных наночастиц», — говорит со-ведущий автор научной статьи Питер Эрсиус, штатный научный сотрудник с Национальный центр электронной микроскопии (NCEM) в Molecular Foundry, учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.«SINGLE представляет собой сочетание трех технологических достижений в области ПЭМ-визуализации в биологии и материаловедении», — говорит Эрциус. «Эти три достижения — это разработка графеновой жидкой ячейки, которая позволяет получать изображения с помощью просвечивающего электронного микроскопа наночастиц, свободно вращающихся в растворе, прямые электронные детекторы, которые могут создавать фильмы с миллисекундным разрешением по времени от кадра к кадру вращающихся нанокристаллов, и теория для ab initio 3D-реконструкция одиночной частицы ".Графеновая жидкая ячейка (GLC), которая помогла сделать это исследование возможным, также была разработана в лаборатории Беркли под руководством Аливисатос.
Для освещения и увеличения изображения с помощью ПЭМ используется пучок электронов, а не свет, но его можно использовать только в высоком вакууме, поскольку молекулы в воздухе нарушают электронный пучок. Поскольку жидкости испаряются в высоком вакууме, образцы в растворах должны быть герметично запечатаны в специальных твердых контейнерах, называемых ячейками, с очень тонким смотровым окном, прежде чем их можно будет отобразить с помощью ПЭМ.
В прошлом жидкие ячейки имели смотровые окна на основе кремния, толщина которых ограничивала разрешение и нарушала естественное состояние материалов образцов. ГЖХ, разработанная в лаборатории Беркли, имеет смотровое окно, сделанное из листа графена толщиной всего в один атом.«ГЖХ обеспечивает ультратонкое покрытие наших наночастиц при сохранении жидких условий в вакууме ТЕМ», — говорит Эрциус. «Поскольку графеновая поверхность GLC инертна, она не адсорбирует и не нарушает иным образом естественное состояние наших наночастиц».
Работая в TEAM I NCEM, самом мощном в мире электронном микроскопе, Эрсиус, Аливисатос и их коллеги смогли получить изображения на месте поступательного и вращательного движения отдельных наночастиц платины, которые были меньше двух нанометров в диаметре. Наночастицы платины были выбраны из-за их высокой силы рассеяния электронов и из-за того, что их детальная атомная структура важна для катализа.
«Наши более ранние исследования нанокристаллов платины методом ГЖХ показали, что они растут за счет агрегации, что приводит к образованию сложных структур, которые невозможно определить никаким ранее разработанным методом», — говорит Эрциус. «Поскольку SINGLE извлекает свои трехмерные структуры из изображений отдельных наночастиц, свободно вращающихся в растворе, он позволяет анализировать гетерогенные популяции потенциально неупорядоченных наночастиц, которые синтезируются в растворе, тем самым предоставляя средства для понимания структуры и стабильности дефектов на наноуровне. "Следующим шагом для SINGLE является восстановление полной трехмерной карты плотности коллоидных наночастиц с атомарным разрешением с использованием более совершенной камеры, установленной на TEAM I, которая может обеспечить 400 кадров в секунду и лучшее качество изображения.«Мы планируем отображать дефекты в наночастицах, сделанных из различных материалов, в частицах ядра и оболочки, а также в сплавах, состоящих из двух разных видов атомов», — говорит Эрциус.Здесь можно посмотреть фильм об одном вращающемся нанокристалле Pt, на котором показаны 2D-спроецированные снимки ПЭМ во многих ориентациях для реконструкции частиц ab initio (https://www.youtube.com/watch?v=W0WtYIlRLw4feature=youtu.be)