No llegarán pronto a un multiplex cerca de ti, pero las películas que muestran el crecimiento de nanocristales de platino a escala atómica en tiempo real tienen un potencial de éxito de taquilla. Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) Berkeley ha desarrollado una técnica para encapsular líquidos de nanocristales entre capas de grafeno para que las reacciones químicas en los líquidos se puedan captar con un microscopio electrónico. . Con esta técnica, Se pueden hacer películas que proporcionen observaciones directas sin precedentes de los aspectos físicos, Fenómenos químicos y biológicos que tienen lugar en líquidos a escala nanométrica.

"Ver reacciones químicas en tiempo real en líquidos a escala atómica es un sueño para químicos y físicos, "dice Jungwon Park, un miembro del equipo que tiene citas conjuntas con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el departamento de química de UC Berkeley. "Utilizando nuestra nueva celda líquida de grafeno, podemos capturar una pequeña cantidad de muestra líquida en condiciones de alto vacío para tomar películas en tiempo real de reacciones de crecimiento de nanopartículas. Dado que el grafeno es químicamente inerte y extremadamente delgado, nuestra celda líquida proporciona condiciones de muestra realistas para lograr una alta resolución y contraste ".

Park fue el autor principal, junto con Jong Min Yuk, de un artículo en la revista Ciencias que describe esta investigación titulada "EM de alta resolución del crecimiento de nanocristales coloidales usando células líquidas de grafeno". La investigación se realizó como una colaboración entre los grupos de investigación de Paul Alivisatos, director de Berkeley Lab y profesor de nanotecnología Larry y Diane Bock de UC Berkeley, y Alex Zettl, quien tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de UC Berkeley, donde dirige el Centro de Sistemas Nanomecánicos Integrados. Ambos son autores correspondientes del artículo de Science junto con Jeong Yong Lee del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). Otros autores fueron Peter Ercius, Kwanpyo Kim, Daniel Hellebusch y Michael Crommie.

Al usar un haz de electrones en lugar de un haz de luz para iluminación y aumento, Los microscopios electrónicos pueden "ver" objetos cientos e incluso miles de veces más pequeños que los que se pueden resolver con un microscopio óptico. Sin embargo, Los microscopios electrónicos solo pueden operar en un alto vacío ya que las moléculas en el aire interrumpen el haz de electrones. Dado que los líquidos se evaporan en alto vacío, Las muestras líquidas deben sellarse herméticamente en recipientes sólidos especiales, llamados celdas, con una ventana de visualización antes de que puedan obtenerse imágenes en un microscopio electrónico. Hasta ahora, tales celdas líquidas han presentado ventanas de visualización hechas de nitruro de silicio u óxido de silicio. Si bien esto ha permitido estudios de algunos fenómenos a nanoescala en líquidos, las ventanas de las celdas basadas en silicio son demasiado gruesas para permitir una fuerte penetración del haz de electrones y esto tiene una resolución limitada a sólo unos pocos nanómetros. Además de no permitir una verdadera resolución atómica, las gruesas ventanas de la celda a base de silicio también parecen perturbar el estado natural del líquido o la muestra suspendida en el líquido.

"El grafeno tiene un solo átomo de carbono de espesor, convirtiéndola en una de las membranas más delgadas conocidas, "dice Park, miembro del grupo de investigación de Alivisatos. "No dispersa el haz de electrones, sino que lo deja pasar. Además, el grafeno también es muy fuerte e impermeable, además de ser químicamente no reactivo, y esto ayuda a proteger la muestra en la celda de líquido del haz de alta energía de un microscopio electrónico ".

Para hacer su celda líquida de grafeno, la colaboración Alivisatos-Zettl encapsuló una solución de crecimiento de platino entre dos capas de grafeno laminado que se suspendieron sobre orificios en una rejilla de microscopio electrónico de transmisión (TEM) convencional. El grafeno se cultivó en un sustrato de lámina de cobre mediante deposición de vapor químico y luego se transfirió directamente a una malla TEM de oro con un soporte de carbono amorfo perforado. La solución de crecimiento de platino se pipeteó directamente sobre dos rejillas TEM recubiertas de grafeno orientadas en direcciones opuestas.

"Al mojar el sistema, la solución se filtra entre las capas de grafeno y carbono amorfo, permitiendo que una de las hojas de grafeno se separe de su rejilla TEM asociada, "dice el coautor Kim, miembro del grupo de investigación Zettl. "Debido a que la interacción de van derWaals entre las láminas de grafeno es relativamente fuerte, las gotas de líquido con un grosor de entre seis y 200 nanómetros pueden quedar atrapadas de forma segura en un bolsillo o ampolla entre las láminas de grafeno ".

Para probar sus células líquidas de grafeno, los colaboradores utilizaron el microscopio electrónico más potente del mundo, el EQUIPO I en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), que se encuentra en Berkeley Lab. TEAM significa Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión y el instrumento TEAM I es capaz de producir imágenes con una resolución de medio angstrom. que es menor que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno. Con TEAM I y sus nuevas células líquidas de grafeno, la colaboración Alivisatos-Zettl pudo observar directamente con la mayor resolución posible hasta la fecha y con una mínima perturbación de la muestra, el crecimiento de nanocristales de platino, uno de los mejores catalizadores metálicos que se utilizan en la actualidad.

"Las imágenes directas con resolución atómica nos permitieron visualizar los pasos críticos en el proceso de crecimiento de nanocristales de platino, incluyendo una serie de fenómenos previamente inesperados, como la coalescencia selectiva del sitio, remodelación estructural después de la coalescencia, y facetado de superficies, "dice Park.

Hace tres años, Park y Alivisatos formaron parte de un equipo que utilizó otro TEM en NCEM y células líquidas con ventanas de nitruro de silicio para registrar las primeras imágenes de nanocristales de platino coloidal que crecen en solución a una resolución subnanométrica. Sus resultados mostraron que, si bien algunos cristales en solución crecieron de manera constante en tamaño a través de la nucleación y agregación clásicas, lo que significa que las moléculas chocan y se unen, otros crecieron a rachas y brotes. impulsado por "eventos de coalescencia, "en el que pequeños cristales chocan aleatoriamente y se fusionan en cristales más grandes. A pesar de sus trayectorias de crecimiento claramente diferentes, estos dos procesos finalmente produjeron nanocristales de aproximadamente el mismo tamaño y forma.

"En ese estudio anterior, sin embargo, carecíamos de la resolución para comprender completamente cómo estas nanopartículas se fusionan y reorganizan su forma en la trayectoria de crecimiento de coalescencia, "Dice Park." Con las células líquidas de grafeno que usamos en este estudio, pudimos resolver la coalescencia orientada a lo largo de una dirección de cristal específica y ver cómo reorganizaron su estructura general en una forma final ".

Con las células de grafeno líquido y la mayor resolución del EQUIPO I, la colaboración Alivisatos-Zettl pudo observar que la mayoría de los eventos de coalescencia proceden en la misma dirección cristalográfica:el plano {111} del cristal. Esto apunta a una orientación específica de nanocristales para la coalescencia no vista antes en nanopartículas metálicas.

"Pudimos resolver la disposición atomística en el momento en que dos de las nanopartículas de platino se fusionaron y visualizaron el apego orientado, un fenómeno conocido por ser uno de los principales mecanismos de crecimiento de partículas anisotrópicas, "Dice Park." Esta coalescencia orientada podría ser uno de los mecanismos de formación detrás de otro fenómeno que observamos, fronteras gemelas, lo que ocurre cuando las nanopartículas se fusionan a lo largo de la misma dirección {111} pero en un plano de espejo en el cristal ".

En el futuro, los colaboradores planean usar sus células líquidas de grafeno para estudiar el crecimiento de muchos tipos diferentes de nanopartículas, incluidos los metales, semiconductores y otros materiales útiles. Las células de grafeno también podrían aplicarse a biomateriales, como el ADN y las proteínas, que existen naturalmente en solución.

"Las membranas de grafeno de un átomo de espesor son ideales para la encapsulación de líquidos, "dice el coautor Ercius, el miembro del personal de NCEM que ejecutó el microscopio TEAM I para este estudio. "Cuando se combina con las imágenes con corrección de aberraciones del EQUIPO I, Podemos alcanzar lo último en contraste y resolución de imagen para experimentos con líquidos in situ. La técnica de la celda líquida de grafeno podría aplicarse fácilmente a otros microscopios electrónicos y creo que será fundamental para responder preguntas sobre la síntesis de materiales en líquidos a escala atómica ".