Совместная группа ученых из США и Южной Кореи впервые отобразила процесс роста нанокристаллов в атомарном масштабе. Предложенная ими техника подразумевает размещение кристаллов внутри капель жидкости, заключенных в капсулы из графена, и использование для отображения этих структур просвечивающего электронного микроскопа. По словам ученых, методика уже позволила получить информацию о новых неожиданных стадиях роста нанокристаллов. В будущем она может быть использована для изучения свойств различных наноматериалов в растворе, в том числе биологических образцов в их естественной жидкой среде.

Просвечивающий электронный микроскоп (transmission electron microscope, TEM) впервые был представлен научному сообществу в 1930 году. Он позволяет получать изображения с большим разрешением, чем при использовании оптических техник, т.к. работает с пучками электронов вместо световых лучей. Хотя просвечивающий электронный микроскоп помог разрешить не одну научную загадку, известно, что с его помощью достаточно сложно получить изображение жидкости. Для этого жидкости должны быть герметично закрыты в твердый материал (как правило, «капсулы» производят из нитрида или оксида кремния), чтобы предотвратить испарение, ведь микроскоп работает в вакууме. Поскольку упомянутые «капсулы» имеют толщину стенки порядка 100 нм, электронный луч не может проникнуть внутрь структур. Это значит, что

объекты, находящиеся внутри жидкости, могут быть отображены в лучшем случае с пространственным разрешением в несколько нанометров.

Но теперь совместная группа ученых из University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory (США) и KAIST (Южная Корея) показала, что

в качестве материала для изготовления «капсул» для жидкости при исследованиях с помощью просвечивающего электронного микроскопа может использоваться графен. Листы этого удивительного материала имеют субнанометровую толщину, более того, за счет своих удивительных электронных свойств они прозрачны для потоков электронов. Также графен является химически не активным, таким образом, он поможет защитить образцы внутри капсул с жидкостью от высокоэнергетического пучка электронов.

Для проверки разрешающей способности новой методики отображения исследователи заполнили графеновые капсулы раствором, содержащим нанокристаллы платины, и применили к этому образцу стандартную технику просвечивающей электронной микроскопии с коррекцией аберраций. С помощью предложенной техники они смогли наблюдать зарождение и рост частиц с очень высоким пространственным разрешением – порядка нескольких ангстрем (0,1 нм). Более того, в ходе эксперимента ученые наблюдали новые неожиданные стадии роста нанокристаллов. В частности,

они смогли воочию увидеть, как отдельные нанокристаллы сливаются, в соответствии с направлением кристаллографических осей, изменяют свою форму и форму отдельных граней.

В будущем техника электронной микроскопии с использованием графеновых капсул для жидкости может применяться для отображения широкого спектра наноматериалов, например, наночастиц или биологических образцов в жидкости. Следующим шагом исследовательская группа планирует использовать графеновые капсулы для изучения роста других нанокристаллов. В ближайшем будущем они надеются, что

их инструмент позволит исполнить мечту многих поколений физиков и химиков, желавших наблюдать химические реакции в режиме реального времени.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Science.