Non arriveranno presto in un multisala vicino a te, ma i film che mostrano la crescita di nanocristalli di platino su scala atomica in tempo reale hanno un potenziale di successo. Un team di scienziati con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e l'Università della California (UC) Berkeley ha sviluppato una tecnica per incapsulare liquidi di nanocristalli tra strati di grafene in modo che le reazioni chimiche nei liquidi possano essere visualizzate con un microscopio elettronico . Con questa tecnica, film possono essere realizzati che forniscono osservazioni dirette senza precedenti di fisici, fenomeni chimici e biologici che avvengono nei liquidi su scala nanometrica.

"Guardare in tempo reale le reazioni chimiche nei liquidi su scala atomica è un sogno per chimici e fisici, "dice Jungwon Park, un membro del team che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di chimica dell'UC Berkeley. "Utilizzando la nostra nuova cella liquida al grafene, siamo in grado di catturare una piccola quantità di campione liquido in condizioni di vuoto spinto per acquisire filmati in tempo reale delle reazioni di crescita delle nanoparticelle. Poiché il grafene è chimicamente inerte ed estremamente sottile, la nostra cella a liquido fornisce condizioni di campionamento realistiche per ottenere alta risoluzione e contrasto."

Park è stato l'autore principale, insieme a Jong Min Yuk, di un articolo sulla rivista Scienza che descrive questa ricerca intitolata "EM ad alta risoluzione di crescita di nanocristalli colloidali utilizzando cellule liquide di grafene". La ricerca è stata condotta in collaborazione tra i gruppi di ricerca di Paul Alivisatos, direttore del Berkeley Lab e Larry and Diane Bock Professor of Nanotechnology dell'UC Berkeley, e Alex Zettl, che ricopre incarichi congiunti con la Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley dove dirige il Centro di Sistemi Nanomeccanici Integrati. Entrambi sono autori corrispondenti del documento Science insieme a Jeong Yong Lee dell'Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) della Corea. Altri autori furono Peter Ercio, Kwanpyo Kim, Daniel Hellebusch e Michael Crommie.

Nell'usare un raggio di elettroni piuttosto che un raggio di luce per l'illuminazione e l'ingrandimento, i microscopi elettronici possono "vedere" oggetti centinaia e persino migliaia di volte più piccoli di quelli risolvibili con un microscopio ottico. Però, i microscopi elettronici possono funzionare solo in alto vuoto poiché le molecole nell'aria interrompono il fascio di elettroni. Poiché i liquidi evaporano in alto vuoto, i campioni liquidi devono essere sigillati ermeticamente in speciali contenitori solidi - chiamati celle - con una finestra di visualizzazione prima di poter essere ripresi in un microscopio elettronico. Fino ad ora, tali celle liquide sono dotate di finestre di visualizzazione realizzate in nitruro di silicio o ossido di silicio. Sebbene ciò abbia consentito di studiare alcuni fenomeni su scala nanometrica nei liquidi, le finestre delle celle a base di silicio sono troppo spesse per consentire una forte penetrazione da parte del fascio di elettroni e questo ha una risoluzione limitata a pochi nanometri. Oltre a non consentire una vera risoluzione atomica, anche le spesse finestre delle celle a base di silicio sembrano perturbare lo stato naturale del liquido o del campione sospeso nel liquido.

"Il grafene è un singolo atomo di carbonio di spessore, rendendola una delle membrane più sottili conosciute, "dice Parco, membro del gruppo di ricerca di Alivisatos. "Non disperde il fascio di elettroni ma lo lascia passare. Inoltre, il grafene è anche molto forte e impermeabile, oltre ad essere chimicamente non reattivo, e questo aiuta a proteggere il campione nella cella liquida dal raggio ad alta energia di un microscopio elettronico".

Per rendere la loro cella liquida al grafene, la collaborazione Alivisatos-Zettl ha incapsulato una soluzione di crescita del platino tra due strati laminati di grafene sospesi su fori in una griglia convenzionale di microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Il grafene è stato coltivato su un substrato di lamina di rame tramite deposizione chimica da vapore e quindi trasferito direttamente su una rete TEM d'oro con un supporto di carbonio amorfo perforato. La soluzione di crescita del platino è stata pipettata direttamente sopra due griglie TEM rivestite di grafene rivolte in direzioni opposte.

"Dopo aver bagnato il sistema, la soluzione si assorbe tra il grafene e gli strati di carbonio amorfo, permettendo a uno dei fogli di grafene di staccarsi dalla sua griglia TEM associata, " dice il coautore Kim, un membro del gruppo di ricerca Zettl. "Poiché l'interazione di van derWaals tra i fogli di grafene è relativamente forte, le goccioline di liquido con uno spessore compreso tra sei e 200 nanometri possono essere intrappolate in modo sicuro in una tasca o in un blister tra i fogli di grafene".

Per testare le loro celle liquide al grafene, i collaboratori hanno utilizzato il microscopio elettronico più potente del mondo, il TEAM I presso il Centro Nazionale di Microscopia Elettronica (NCEM), che è ospitato al Berkeley Lab. TEAM è l'acronimo di Transmission Electron Aberration-corrected Microscope e lo strumento TEAM I è in grado di produrre immagini con una risoluzione di mezzo angstrom, che è inferiore al diametro di un singolo atomo di idrogeno. Con TEAM I e le sue nuove celle liquide al grafene, la collaborazione Alivisatos-Zettl è stata in grado di osservare direttamente alla massima risoluzione possibile fino ad oggi e con minima perturbazione del campione, la crescita di nanocristalli di platino, uno dei migliori catalizzatori metallici in uso oggi.

"L'imaging diretto a risoluzione atomica ci ha permesso di visualizzare i passaggi critici nel processo di crescita dei nanocristalli di platino, tra cui una serie di fenomeni precedentemente inaspettati, come la coalescenza sito-selettiva, rimodellamento strutturale dopo la coalescenza, e sfaccettatura superficiale, "dice Parco.

Tre anni fa, Park e Alivisatos facevano parte di un team che ha utilizzato un altro TEM presso l'NCEM e celle liquide dotate di finestre di nitruro di silicio per registrare le prime immagini in assoluto di nanocristalli di platino colloidale che crescono in soluzione a risoluzione subnanometrica. I loro risultati hanno mostrato che mentre alcuni cristalli in soluzione crescevano costantemente di dimensioni tramite la classica nucleazione e aggregazione, il che significa che le molecole si scontrano e si uniscono, altri sono cresciuti a scatti e scatti, guidato da "eventi di coalescenza, " in cui piccoli cristalli si scontrano casualmente e si fondono insieme in cristalli più grandi. Nonostante le loro traiettorie di crescita nettamente diverse, questi due processi alla fine hanno prodotto nanocristalli approssimativamente della stessa dimensione e forma.

"In quel precedente studio, però, ci mancava la risoluzione per comprendere appieno come queste nanoparticelle si fondessero e riorganizzassero la loro forma nella traiettoria di crescita della coalescenza, " dice Park. "Con le celle liquide al grafene che abbiamo usato in questo studio, siamo stati in grado di risolvere la coalescenza orientata lungo una specifica direzione del cristallo e vedere come hanno riorganizzato la loro struttura complessiva in una forma finale".

Con le celle liquide al grafene e la maggiore risoluzione di TEAM I, la collaborazione Alivisatos-Zettl è stata in grado di osservare che la maggior parte degli eventi di coalescenza procede lungo la stessa direzione cristallografica:il piano {111} del cristallo. Ciò indica un orientamento specifico dei nanocristalli per la coalescenza mai visto prima nelle nanoparticelle metalliche.

"Siamo stati in grado di risolvere la disposizione atomistica nel momento in cui due delle nanoparticelle di platino si sono fuse e visualizzare l'attaccamento orientato, un fenomeno noto per essere uno dei principali meccanismi di crescita delle particelle anisotrope, " dice Park. "Questa coalescenza orientata potrebbe essere uno dei meccanismi di formazione alla base di un altro fenomeno che abbiamo osservato, confini gemelli, che si verifica quando le nanoparticelle si fondono insieme lungo la stessa direzione {111} ma su un piano speculare nel cristallo."

Nel futuro, i collaboratori prevedono di utilizzare le loro celle liquide di grafene per studiare la crescita di molti diversi tipi di nanoparticelle, compresi i metalli, semiconduttori e altri materiali utili. Le cellule di grafene potrebbero essere applicate anche a biomateriali, come DNA e proteine, che esistono naturalmente in soluzione.

"Le membrane di grafene spesse un atomo sono ideali per l'incapsulamento di liquidi, " dice il co-autore Ercio, il membro dello staff NCEM che ha eseguito il microscopio TEAM I per questo studio. "In combinazione con l'imaging con correzione dell'aberrazione di TEAM I, possiamo raggiungere il massimo in termini di contrasto e risoluzione dell'immagine per esperimenti liquidi in situ. La tecnica della cella liquida al grafene potrebbe essere facilmente applicata ad altri microscopi elettronici e penso che diventerà strumentale per rispondere a domande riguardanti la sintesi di materiali in liquidi su scala atomica".