Premiers films en temps réel à l'échelle atomique de la croissance de nanocristaux de platine dans les liquides
Dans la cellule liquide de graphène, des feuilles de graphène opposées forment une chambre de réaction liquide scellée à l'échelle nanométrique qui est transparente à un faisceau de microscope électronique. La cellule permet la croissance de nanocristaux, dynamique et coalescence à capturer en temps réel à résolution atomique via un microscope électronique à transmission. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Ils ne viendront pas de sitôt dans un multiplex près de chez vous, mais les films montrant la croissance de nanocristaux de platine à l'échelle atomique en temps réel ont un potentiel de blockbuster. Une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley a développé une technique pour encapsuler des liquides de nanocristaux entre des couches de graphène afin que les réactions chimiques dans les liquides puissent être imagées avec un microscope électronique . Avec cette technique, des films peuvent être réalisés qui fournissent des observations directes sans précédent de physique, phénomènes chimiques et biologiques qui se produisent dans les liquides à l'échelle nanométrique.
"Regarder les réactions chimiques en temps réel dans les liquides à l'échelle atomique est un rêve pour les chimistes et les physiciens, " dit Jungwon Park, un membre de l'équipe qui détient des nominations conjointes avec la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et le département de chimie de l'UC Berkeley. « En utilisant notre nouvelle cellule liquide au graphène, nous sommes capables de capturer une petite quantité d'échantillon liquide dans des conditions de vide poussé pour prendre des films en temps réel des réactions de croissance de nanoparticules. Le graphène étant chimiquement inerte et extrêmement fin, notre cellule liquide fournit des conditions d'échantillonnage réalistes pour obtenir une résolution et un contraste élevés."
Park était l'auteur principal, avec Jong Min Yuk, d'un article dans la revue Science qui décrit cette recherche intitulée « EM haute résolution de la croissance de nanocristaux colloïdaux à l'aide de cellules liquides au graphène ». La recherche a été réalisée en collaboration entre les groupes de recherche de Paul Alivisatos, directeur du Berkeley Lab et professeur de nanotechnologie Larry et Diane Bock de l'UC Berkeley, et Alex Zettl, qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley où il dirige le Centre des systèmes nanomécaniques intégrés. Tous deux sont les auteurs correspondants de l'article scientifique avec Jeong Yong Lee de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST). Les autres auteurs étaient Peter Ercius, Kwanpyo Kim, Daniel Hellebusch et Michael Crommie.
En utilisant un faisceau d'électrons plutôt qu'un faisceau de lumière pour l'éclairage et le grossissement, les microscopes électroniques peuvent "voir" des objets des centaines et même des milliers de fois plus petits que ce qui peut être résolu avec un microscope optique. Cependant, les microscopes électroniques ne peuvent fonctionner que dans un vide poussé car les molécules dans l'air perturbent le faisceau d'électrons. Étant donné que les liquides s'évaporent sous vide poussé, les échantillons liquides doivent être scellés hermétiquement dans des conteneurs solides spéciaux - appelés cellules - avec une fenêtre de visualisation avant de pouvoir être visualisés au microscope électronique. Jusqu'à maintenant, de telles cellules à liquide ont des fenêtres de visualisation en nitrure de silicium ou en oxyde de silicium. Bien que cela ait permis d'étudier certains phénomènes à l'échelle nanométrique dans les liquides, les fenêtres des cellules à base de silicium sont trop épaisses pour permettre une forte pénétration du faisceau d'électrons et cela a une résolution limitée à seulement quelques nanomètres. En plus de ne pas permettre une véritable résolution atomique, les fenêtres de cellules épaisses à base de silicium semblent également perturber l'état naturel du liquide ou de l'échantillon en suspension dans le liquide.
"Le graphène est un atome de carbone unique en épaisseur, ce qui en fait l'une des membranes les plus minces connues, " dit Parc, membre du groupe de recherche Alivisatos. "Il ne diffuse pas le faisceau d'électrons mais le laisse passer. De plus, le graphène est également très fort et imperméable, en plus d'être chimiquement non réactif, et cela aide à protéger l'échantillon dans la cellule liquide du faisceau à haute énergie d'un microscope électronique."
Pour fabriquer leur cellule liquide au graphène, la collaboration Alivisatos-Zettl a encapsulé une solution de croissance de platine entre deux couches de graphène stratifiées qui ont été suspendues sur des trous dans une grille de microscope électronique à transmission (MET) conventionnelle. Le graphène a été cultivé sur un substrat de feuille de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur, puis directement transféré sur un maillage TEM en or avec un support de carbone amorphe perforé. La solution de croissance de platine a été pipetée directement au-dessus de deux grilles TEM revêtues de graphène faisant face dans des directions opposées.
