Мультиустановленная команда исследователей во главе с американским Министерством энергетики (DOE) Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), развивал новую технику под названием «ЕДИНСТВЕННЫЙ», который обеспечивает первые изображения на уровне атомов коллоидных наночастиц. ЕДИНСТВЕННЫЙ, то, которое обозначает 3D Идентификацию Структуры Наночастиц Графеновой Микроскопией Электрона Клетки Жидкости, использовалось, чтобы отдельно восстановить 3D структуры двух отдельных платиновых наночастиц в решении.«Понимание структурных деталей коллоидных наночастиц требуется, чтобы соединять наше знание об их синтезе, механизмах роста и физических свойствах облегчить их применение к возобновляемой энергии, катализ и очень много других областей», говорит директор Berkeley Lab и власть нанонауки Пол Аливизэтос, который привел это исследование. «Принимая во внимание, что большинство структурных исследований коллоидных наночастиц выполнено в вакууме после того, как кристаллический рост завершен, наш ЕДИНСТВЕННЫЙ метод позволяет нам определять их 3D структуру в решении, важном шаге к улучшению дизайна наночастиц для катализа и энергетических приложений исследования».Alivisatos, который также считает Samsung Выдающимся Стулом в Нанонауке и Нанотехнологиях в Калифорнийском университете Беркли, и направляет энергию Kavli Институт NanoSciences на Беркли (Kavli ENSI), является соответствующим автором статьи, детализирующей это исследование в журнале Science.
Бумага названа «3D Структура Отдельных Нанокристаллов в Решении Электронной Микроскопией». Ведущие соавторы – парк Jungwon Гарвардского университета, Ханс Элмланд из университета Монаша Австралии, и и Питер Эркиус из Berkeley Lab. Другие соавторы – Джонг Мин Юк, Дэвид Лиммер, Цянь Чэнь, Кванпио Ким, Сан Хун Хань, Дэвид Вейц и Алекс Зеттл.Коллоидные наночастицы – группы сотен к тысячам атомов, приостановленных в решении, коллективные химические и физические свойства которого определены размером и формой отдельных наночастиц.
Методы отображения, которые обычно используются, чтобы проанализировать 3D структуру отдельных кристаллов в материале, не могут быть применены к приостановленным наноматериалам, потому что отдельные частицы в решении не статичны. Функциональность белков также определена их размером и формой и учеными, которые хотели к изображению, 3D структуры белка стояли перед подобной проблемой.
Проблема отображения белка была решена техникой, названной «микроскопия криоэлектрона единственной частицы», в котором десятки тысяч 2D изображений просвечивающего электронного микроскопа (TEM) идентичных копий отдельного белка или комплекса белка, замороженного в случайных ориентациях, зарегистрированы тогда в вычислительном отношении объединенные в 3D реконструкции с высоким разрешением. Alivisatos и его коллеги использовали это понятие, чтобы создать их ЕДИНСТВЕННУЮ технику.«В материаловедении мы не можем предположить, что наночастицы в решении все идентичны, таким образом, мы должны были развивать гибридный подход для восстановления 3D структур отдельных наночастиц», говорит автор co-лидерства научной работы Питер Эркиус, научный сотрудник с Национальным Центром Электронной Микроскопии (NCEM) на Молекулярном Литейном заводе, Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства.
«ЕДИНСТВЕННЫЙ представляет комбинацию трех технического прогресса от отображения TEM в биологической науке и материаловедении», говорит Эркиус. «Эти три продвижения – развитие графеновой клетки жидкости, которая позволяет отображение TEM наночастиц, вращающихся свободно в решении, прямые электронные датчики, которые могут создать фильмы с разрешением времени от структуры к структуре миллисекунды вращающихся нанокристаллов и теорию для с начала единственной частицы 3D реконструкция».Графеновая клетка жидкости (GLC), которая помогла сделать это исследование возможным, была также развита в Berkeley Lab под лидерством Alivisatos. Отображение TEM использует луч электронов, а не света для освещения и усиления, но может только использоваться в высоком вакууме, потому что молекулы в воздухе разрушают электронный луч.
Так как жидкости испаряются в высоком вакууме, образцы в решениях должны быть герметично запечатаны в специальных твердых контейнерах – названный клетками – с очень тонким окном просмотра перед стать изображенным с TEM. В прошлом жидкие клетки показали основанные на кремнии окна просмотра, толщина которых ограничила резолюцию и встревожила естественное состояние типовых материалов. GLC, развитый в лаборатории Беркли, показывает окно просмотра, сделанное из графенового листа, который является только единственным толстым атомом.«GLC предоставляет нам ультратонкое покрытие наших наночастиц, поддерживая жидкие условия в вакууме TEM», говорит Эркиус. «Так как графеновая поверхность GLC инертна, это не адсорбирует или иначе тревожит естественное состояние наших наночастиц».
Работая в КОМАНДЕ NCEM I, самый мощный электронный микроскоп в мире, Ercius, Alivisatos и их коллеги смогли к изображению на месте переводные и вращательные движения отдельных наночастиц платины, которые составляли меньше чем два миллимикрона в диаметре. Платиновые наночастицы были выбраны из-за их высокой силы рассеивания электрона и потому что их подробное строение атома важно для катализа.«Наш ранее исследования GLC платиновых нанокристаллов показали, что они растут скоплением, приводящим к сложным структурам, которые не возможно определить любым ранее разработанным методом», говорит Эркиус. «С тех пор ЕДИНСТВЕННЫЙ получает его 3D структуры из изображений отдельных наночастиц, вращающихся свободно в решении, оно позволяет анализ разнородного населения потенциально незаказанных наночастиц, которые синтезируются в решении, таким образом обеспечивая средство понять структуру и стабильность дефектов в наноразмерном».Следующий шаг для ЕДИНСТВЕННОГО должен возвратить полную 3D атомную карту плотности резолюции коллоидных наночастиц, используя более современную камеру, установленную в КОМАНДЕ I, который может обеспечить 400 кадры в секунду и лучшее качество изображения.
«Мы планируем к дефектам изображения в наночастицах, сделанных из различных материалов, основных частиц раковины, и также сплавляет сделанный из двух различных атомных разновидностей», говорит Эркиус.Фильм единственного вращения нанокристалл Pt, показ 2D спроектировал TEM все еще снимки во многих ориентациях для с начала реконструкции частицы, может быть рассмотрен здесь (https://www.youtube.com/watch? v=W0WtYIlRLw4&feature=youtu.be)