Precis som proteiner är en av de grundläggande byggstenarna i biologin, nanopartiklar kan fungera som de grundläggande byggstenarna för nästa generations material. I linje med denna parallell mellan biologi och nanoteknik, en beprövad teknik för att bestämma de tredimensionella strukturerna för enskilda proteiner har anpassats för att bestämma 3D -strukturerna för enskilda nanopartiklar i lösning.

Ett multinstitutionellt team av forskare som leds av US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har utvecklat en ny teknik som kallas "ENKEL" som ger de första bilderna i atomskala av kolloidala nanopartiklar. ENDA, som står för 3D Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy, har använts för att separat rekonstruera 3D -strukturerna för två individuella platina -nanopartiklar i lösning.

"För att förstå strukturella detaljer om kolloidala nanopartiklar krävs för att överbrygga vår kunskap om deras syntes, tillväxtmekanismer, och fysiska egenskaper för att underlätta deras tillämpning på förnybar energi, katalys och många andra områden, "säger Berkeley Lab -chefen och den berömda nanovetenskapliga myndigheten Paul Alivisatos, som ledde denna forskning. "Medan de flesta strukturstudier av kolloidala nanopartiklar utförs i ett vakuum efter kristalltillväxten är klar, vår SINGLE -metod tillåter oss att bestämma deras 3D -struktur i en lösning, ett viktigt steg för att förbättra utformningen av nanopartiklar för katalys och energiforskningsapplikationer. "

Alivisatos, som också innehar Samsung Distinguished Chair i nanovetenskap och nanoteknik vid University of California Berkeley, och leder Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley (Kavli ENSI), är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i tidskriften Vetenskap . Papperet har titeln "3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy." De ledande medförfattarna är Jungwon Park vid Harvard University, Hans Elmlund från Australiens Monash University, och och Peter Ercius från Berkeley Lab. Andra medförfattare är Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Sang Hoon Han, David Weitz och Alex Zettl.

Kolloidala nanopartiklar är kluster av hundratals till tusentals atomer suspenderade i en lösning vars kollektiva kemiska och fysiska egenskaper bestäms av storleken och formen på de enskilda nanopartiklarna. Bildtekniker som rutinmässigt används för att analysera 3D -strukturen för enskilda kristaller i ett material kan inte appliceras på suspenderade nanomaterial eftersom enskilda partiklar i en lösning inte är statiska. Proteinernas funktionalitet bestäms också av deras storlek och form, och forskare som ville bilda 3D -proteinstrukturer stod inför ett liknande problem. Proteinavbildningsproblemet löstes med en teknik som kallas "enpartikelkryo-elektronmikroskopi, "där tiotusentals 2D-överföringselektronmikroskop (TEM) bilder av identiska kopior av ett individuellt protein- eller proteinkomplex fruset i slumpmässiga orienteringar spelas in och sedan beräknat kombineras till 3D-rekonstruktioner med hög upplösning. Alivisatos och hans kollegor använde detta koncept för att skapa deras ENDA teknik.

"Inom materialvetenskap, vi kan inte anta att nanopartiklarna i en lösning alla är identiska så vi behövde utveckla en hybridmetod för att rekonstruera 3D -strukturerna för enskilda nanopartiklar, "säger medförfattare till Vetenskap papper Peter Ercius, en personalvetare vid National Center for Electron Microscopy (NCEM) vid Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility.

"SINGLE representerar en kombination av tre tekniska framsteg från TEM -avbildning inom biologisk och materialvetenskap, "Ercius säger." Dessa tre framsteg är utvecklingen av en grafenvätskecell som tillåter TEM -avbildning av nanopartiklar som roterar fritt i lösning, direktelektordetektorer som kan producera filmer med millisekunder bild-till-bild-tidsupplösning för de roterande nanokristallerna, och en teori för ab initio enkelpartikel 3D -rekonstruktion. "

Den grafen flytande cellen (GLC) som hjälpte till att göra denna studie möjlig utvecklades också på Berkeley Lab under ledning av Alivisatos. TEM -avbildning använder en elektronstråle snarare än ljus för belysning och förstoring men kan bara användas i högvakuum eftersom molekyler i luften stör elektronstrålen. Eftersom vätskor avdunstar i högvakuum, prover i lösningar måste förseglas hermetiskt i speciella fasta behållare - kallade celler - med ett mycket tunt visningsfönster innan de avbildas med TEM. Förr, flytande celler med kiselbaserade visningsfönster vars tjocklek begränsade upplösningen och störde provmaterialens naturliga tillstånd. GLC utvecklad vid Berkeley lab har ett visningsfönster tillverkat av ett grafenark som bara är en enda atom tjockt.

"GLC ger oss en ultratunn täckning av våra nanopartiklar samtidigt som vi behåller flytande förhållanden i TEM-vakuumet, "Säger Ercius." Eftersom grafenytan på GLC är inert, det adsorberar inte eller stör på annat sätt det naturliga tillståndet i våra nanopartiklar. "

Jobbar på NCEM's TEAM I, världens mest kraftfulla elektronmikroskop, Ercius, Alivisatos och deras kollegor kunde på plats avbilda translationella och rotationsrörelser för enskilda nanopartiklar av platina som var mindre än två nanometer i diameter. Platinumnanopartiklar valdes på grund av deras höga elektronspridningsstyrka och för att deras detaljerade atomstruktur är viktig för katalys.

"Våra tidigare GLC -studier av platina -nanokristaller visade att de växer genom aggregering, resulterar i komplexa strukturer som inte är möjliga att bestämma med någon tidigare utvecklad metod, "Säger Ercius." Eftersom SINGLE härleder sina 3D -strukturer från bilder av enskilda nanopartiklar som roterar fritt i lösning, det möjliggör analys av heterogena populationer av potentiellt oordnade nanopartiklar som syntetiseras i lösning, därigenom tillhandahålla ett sätt att förstå strukturen och stabiliteten hos defekter på nanoskala. "

Nästa steg för SINGLE är att återställa en fullständig 3D-atomupplösningstäthetskarta över kolloidala nanopartiklar med en mer avancerad kamera installerad på TEAM I som kan ge 400 bilder per sekund och bättre bildkvalitet.

"Vi planerar att avbilda defekter i nanopartiklar tillverkade av olika material, kärnskalskalpartiklar, och även legeringar gjorda av två olika atomarter, "Säger Ercius.