液相透射电子显微技术用于追踪纳米颗粒的自组装过程

本实验的总体目标是利用液体池透射电子显微技术，实时研究纳米颗粒在溶液相中的运动行为。该方法有助于回答纳米科学领域的一些关键问题，例如，在溶剂干燥过程中纳米颗粒如何形成自组装结构。该技术的主要优势在于，能够实现对纳米颗粒在实空间和实时条件下的运动进行观测。

这种液体池技术的意义在于能够追踪传统方法无法显示的纳米颗粒个体运动。尽管该方法可为纳米颗粒的自组装过程提供见解，但也可应用于其他模型，例如纳米颗粒的取向附着。开始实验时，在一个100毫升三颈圆底烧瓶中加入17.75毫克六氯铂酸铵、3.72毫克四氯铂酸铵以及115.5毫克四甲基溴化铵。

向烧瓶中加入109毫克聚乙烯吡咯烷酮和10毫升无水乙二醇。将烧瓶装配磁力搅拌子、橡胶塞和回流冷凝管。启动搅拌电机，在1000 rpm转速下搅拌，同时对反应烧瓶抽真空脱气1小时。

然后，在氩气氛围下，以每分钟10摄氏度的速率将反应混合物加热至180摄氏度。在180摄氏度下搅拌混合物20分钟，随后使混合物冷却至室温。将冷却后的混合物转移至50毫升离心管中。

向试管中加入30毫升丙酮，以沉淀铂纳米颗粒。将混合物在2400 × g 条件下离心10分钟。弃去上清液，并将沉淀物分散于10毫升乙醇中。

获取一片四英寸、涂有约25纳米氮化硅的100微米厚硅片。使用旋涂法涂布光刻胶，然后利用光刻胶将超薄硅片固定在一片500微米厚的硅片上。

将10毫升正性光刻胶以3000 rpm的转速旋涂在晶圆上，持续30秒。在85°C下烘烤晶圆60秒。然后用铬掩模覆盖晶圆，并用365纳米的光照射晶圆10秒。

将晶圆浸入50毫升适当的显影液中40秒，然后浸入50毫升去离子水中1分钟。再将晶圆浸入50毫升去离子水中1分钟，随后将已形成图案的晶圆放入反应离子刻蚀机中。对暴露的氮化硅刻蚀1分钟。

使用水浴将含有30毫克/升氢氧化钾水溶液的容器均匀加热至85摄氏度。将超薄晶片浸入热的氢氧化钾溶液中两小时，以刻蚀暴露的硅。当观察到暴露的硅已完全被刻蚀后，小心地以一定角度将晶片从溶液中取出，避免破坏氮化硅窗口。

使用第二个铬掩模重复此过程，以获得顶部和底部芯片。使用第三个铬掩模在底部芯片上图案化铟间隔层。对齐顶部和底部芯片，并在 100 摄氏度下将芯片键合在一起。

将20微升制备好的纳米颗粒分散液转移至一个5毫升的小瓶中。在常温条件下静置10分钟，使溶剂完全蒸发。在光学显微镜下检查液体池，确认氮化硅窗口完好无损。

然后将纳米颗粒分散于1毫升邻二氯苯、250微升十五烷和10微升油胺的混合液中。将液体池置于光学显微镜下，使用带有超细毛细管的注射器将100纳升分散液注入液体池的储液区。用滤纸吸除储液区外多余的分散液。

将细胞置于室温空气中静置10分钟，以挥发邻二氯苯。然后将一滴真空脂涂抹在带有600微米孔径的2毫米铜质光阑网格的一侧。小心地用该网格覆盖液体池，注意将光阑与液体池窗口对齐。

将样品装载到标准透射电子显微镜样品 holder 中，并将样品插入仪器。在溶剂干燥过程中，以连续图像采集模式获取图像。使用图像处理软件计算每幅所获图像中颗粒的径向分布函数。

在氮化硅液体池中干燥铂纳米颗粒悬浮液的透射电子显微镜（TEM）图像显示，纳米颗粒被后退的溶剂前沿向内拉拽。这种行为归因于溶剂薄层产生的强毛细力，以及纳米颗粒在溶剂界面处自由能的降低。随着纳米颗粒被逐渐拉近，最初形成了非晶态的多层聚集体。

随着溶剂的干燥，团聚体展平形成有序的单层结构。这种有序性体现在由透射电子显微镜（TEM）图像获得的径向分布函数中。90秒时拍摄图像的径向分布函数在8.3纳米处出现一个显著的峰值。

油胺封端的铂纳米颗粒直径约为8.3纳米，表明大量颗粒已尽可能紧密地组装在一起。一旦掌握，若操作得当，该技术可在两天内完成。通常，刚接触该方法的研究人员可能会遇到困难，因为纳米颗粒或液体池组成的差异，需要对液体池的制备和操作进行不同程度的优化。

进行此操作时，需注意保护液体池的窗口，避免其破裂。完成此步骤后，还可采用对液体池施加电压等其他方法，以探究外力作用下纳米颗粒自组装过程中的更多问题。该技术问世后，为纳米科学领域的研究人员探索纳米颗粒在整体干燥机制中的组装过程开辟了道路。

观看本视频后，您应能够充分理解如何制备液体池以及在透射电子显微镜（TEM）实验中测量纳米颗粒的运动。请务必注意，使用KUH试剂可能具有极高危险性。进行该实验时，必须始终采取预防措施，例如佩戴护目镜。