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崔屹ACS Nano综述:冷冻电镜在材料和纳米科学的应用机遇

崔屹ACS Nano综述:冷冻电镜在材料和纳米科学的应用机遇

【研究背景】

冷冻电镜(cryo-EM)因其对结构生物学领域的深远影响成为2017年的诺贝尔化学奖的基础。冷冻电镜通过冷冻并稳定脆弱的生物分子以获得其本征状态下的近原子级分辨的成像。除生命科学外,冷冻电镜在物理科学方面的发展实现对高分辨电子显微镜敏感材料的更高分辨率的表征,为理解材料科学的尚存的重要问题提供了机遇。

【研究亮点】

☆冷冻电镜在不同材料科学、纳米科学领域的研究现状与机遇

【成果简介】

近日,美国斯坦福大学Cui Yi教授作为通讯作者在著名期刊ACS Nano上发表综述文章“Opportunities for Cryogenic Electron Microscopy in Materials Science and Nanoscience”,深入浅出分析了冷冻电镜在材料科学、纳米科学领域的研究发展与应用前景。冷冻电镜是2017年诺贝尔化学奖的基础,为对电子束、环境敏感的脆弱材料的高分辨表征提供了可能与机遇,目前应用新领域主要为:电池,柔性聚合物,金属有机框架,钙钛矿太阳能电池,电催化和量子材料。

【图文导读】

1.电池

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图1(a)冷冻转移过程示意图和锂金属的原子级分辨冷冻电镜成像;(b)SEI的纳米结构;(c)不同电解液中观察到的多层SEI;(d)电子透明冷冻聚焦离子束提升薄片;(e)电池中固液界面的冷冻扫描透射电镜(cryo-STEM)成像;(f)界面处C、O、F元素的电子能量损失谱(EELS)

要点解读:利用冷冻电镜是将锂和SEI纳米尺度的结构变化与效率损失直接关联起来,为固态电池的包覆、人工SEI的合理设计提供有力的支持。冷冻电镜首次成功应用于电池研究是源于样品的制备方案:电池材料在不接触环境气氛条件下快速冷冻,材料原始状态得以保持并能在原子级分辨的冷冻电镜下稳定(图1a),作者发现锂金属表面存在两种不同的界面纳米结构的形成(图1b-c)。这一发现使得界面纳米结构与电池性能通过促进锂离子在纳米尺度均匀传输的机理而直接相关。此外,Meng等进一步利用冷冻电镜发现锂金属成核初始阶段为无定形,而Kourkoutis等人结合cryo-STEM和EELS发现电池工作过程中产生大量LiH,并绘制了玻璃态电解液中锂的固、液界面(图1d-f)。尽管由冷冻电镜得到的结构被进一步讨论,但这些结构在固固、固液界面在电池工作过程中的变化仍未解决。

2.柔性聚合物

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图2一种冷冻水合的、100 nm的Nafion膜的冷冻透射电镜(cryo-TEM):(a)亮场cryo-TEM的二维投影,(b)cryo-TEM的三维重构,黄色标注了中心黑色区域(亲水)的空间分布。PBTTT薄膜的虚拟暗场重构:(c)毛坯铸件,(d)退火。PBTTT流线图:(e)毛坯铸件,(f)退火。(g)EELS谱和元素组成(blue:water;green:PDMS;red:copolymer)的空间分辨(10 nm)成像

要点解读:聚合物与生物分子具有类似的元素组成,也易被TEM的电子束辐射而损伤。冷冻电镜应用于柔性聚合物的最近进展包括cryo-ET,4D-STEM和单色光源的STEM-EELS。电子断层常用于理解柔性材料体系的3D结构,而聚合物的低温骤降冷冻不仅能保护样品不被电子束损伤,还能保持其自然状态。如图2a-b所示,Weber等人利用冷冻电镜揭示了水合Nafion膜纳米结构的首个3D重构,它展示了一个相互连接的通道网络,畴间距约5 nm。这种直接的成像为分析这种离子聚合物中质子的输运过程的分子动力学模拟提供了见解,有助于理解离子运输机理和未来离子聚合物设计原则。通过将低温冷冻和空间高分辨的4D-STEM结合可绘制出将局部晶体几何结构,Minor课题组展示了有机体系中结构与性能的可视化关系,并将不同加工、化学添加剂获得的性能与聚合物中纳米晶畴的分布和取向联系起来(图2c-f)。此外,单色光源的STEM-EELS是将柔性聚合物局部形貌和化学性质关联的有效表征手段(图2g)。

3.金属-有机框架(MOFs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)

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图3(a)ZIF-8原子级表面;(a)中红色区域放大图:(b)region I,(c)region II(箭头标注表面台阶位点);CO2吸收前后的冷冻电镜成像:(d)空的MOF,(e)CO2填充的MOF;(f)MAPBI3钙钛矿太阳能电池;(g)[PBI6]4-八面体和MA+分子的原子分辨冷冻电镜成像

要点解读:MOFs是一类化学和晶体结构可调的多孔材料,在气体储存、分离和电化学方面有很大的应用前景。主体结构与客体分子之间的相互作用是上述应用的核心,但难以在原子尺度上进行理解,因为难以获得单颗粒的高分辨TEM成像以及客体分子被冻结在MOFs内的亚稳态。无机与有机部分之间的键易被高能电子束破坏是使得MOF晶体变为无定形态,且高真空环境易使挥发性客体分子发生解吸。作者课题组利用cryo-EM发现上述不稳定结构和亚稳态能在低温冷冻和低电子密度条件下稳定。如图3a-d,利用cryo-EM将CO2保存在MOF结构内,实现对气体分子的原子级分辨直接成像。研究人员已经使用TEM研究了PSCs的宏观形貌,但高的效率(>24%)和长载体寿命的基本运行机制尚不清楚。尽管冷冻电镜成像能减少电子束对金属卤化物钙钛矿的破坏,但Rothmann等发现钙钛矿晶体结构暴露于~2 e A-2 s-1 7min后变为无定形。而最近将探测器换为DED时,可同时减少电子束总量和速率,从而实现钙钛矿的原子级分辨成像。如图3f-g,研究人员结合低剂量成像和样品冷冻,发现与低温冷冻相比,MAPBI3纳米线室温加载表现出明显的表面退化。建立临界电子计量暴露标准后,他们成功在紫外线和水分暴露下保存了MAPBI3纳米线的中间态,并在原子尺度上揭示了分解现象。

4.量子材料

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图4 BSCMO在93 K条件下电荷晶格耦合的cryo-STEM:(a)93 K条纹调制的剪切变形,(b)293 K的条纹调制的剪切变形,(c)293 K的条纹位错;(d)Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜在96 K时Nd、Mn的环形暗场和伪彩色图像;(f)Mn-L2,3和Nd-M4,5的去背景谱图;(g)Mn-L2,3和O-K在室温和冷冻温度下的EELS谱

要点解读:量子材料表现出独特的电子特性,且通常发生在室温以下。揭示局部结构和化学在低温区间内的纳米尺度变化将为这些奇异的行为提供深入见解。如图4a-c,Kourkoutis课题组通过减少停留时间至0.5 μs/pixel实现了低温下(~93 K)亚埃级分辨(0.78 Å)和皮米精度,因此他们能够发现并绘制出在一个水锰矿模型系统在室温和低温之间电荷排序的变化。此外,该课题组利用DED对液氮温度附近的NMSO薄膜进行原子级分辨的元素成像,从而直接观察NSMO的电荷有序相(图4d-g)。

【总结与展望】

结构生物学的研究受益于30年来冷冻电镜的发展和优化,并达到顶峰。在物理科学中的重大挑战同样可以受益于冷冻电镜,但在很大程度上仍未被探索。目前,冷冻电镜在材料科学领域仍是一项新兴技术,样品制备、成像条件和数据处理方面仍需进一步改进。此外,EDS和EELS光谱等分析技术以及使用4D-STEM的定量结构表征将进一步增强冷冻电镜。冷冻电镜可以在材料和物理研究等领域产生重大影响,并揭示丰硕的研究成果。当然,许多科学问题可以通过冷冻电镜来解决,但我们也应该努力减少虚假的结论。通过细致的控制实验可以验证骤然冷冻而捕获的亚稳态。这些标准和协议应为每一独特的材料体系总结概述而使得冷冻电镜作为物理科学研究的基础技术。

【文献信息】

Opportunities for Cryogenic Electron Microscopy in Materials Science and Nanoscience(ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.0c05020)

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05020

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