“SINGLE”是一种新的成像技术，首次提供溶液中单个纳米颗粒在原子尺度的三维结构。在催化和能源研究应用方面，这是改善胶体纳米颗粒设计的重要一步。

SINGLE技术利用石墨烯液体电池中铂纳米晶体自由旋转的原位透射电镜图像，确定单个胶体纳米粒子的三维结构。

(图片来源：伯克利实验室)

正如蛋白质生物学的基本构成一样，纳米粒子可作为下一代材料的基本构成。生物学和纳米技术之间存在平行关系，确定单个蛋白质三维结构的技术已适应于确定溶液中单个纳米粒子的三维结构。

由美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的多个研究机构，已开发出一种叫做“SINGLE”的新技术，提供了首个胶体纳米颗粒的原子尺度图像。SINGLE技术，是石墨烯液体电池电子显微镜纳米粒子三维结构识别的简称，已被用来分别重建溶液中两个单独铂纳米粒子的三维结构。

“我们需要了解胶体纳米粒子的结构细节，来构建起它们的合成、生长机制和物理特性知识，以促进可再生能源、催化和许多其他领域的应用，”伯克利实验室主任和纳米科学领导这个研究的权威Paul Alivisatos说。“大多数胶体纳米粒子的结构研究是在真空中晶体生长完成后进行的，而我们的SINGLE技术允许我们在溶液中确定其三维结构，这是改善纳米颗粒催化和能源研究应用设计的重要一步。”

Alivisatos也是三星在加州大学伯克利分校纳米科学和纳米技术的特聘教授，并指导伯克利的Kavli能源纳米科学研究所(Kavli ENSI)，是论文的通讯作者，论文发表在《journalScience》并详细阐述了这项研究。文章标题是“3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy”。主要合作者有哈佛大学的Jungwon，澳大利亚的莫纳什大学的Hans Elmlund以及伯克利实验室的Peter Ercius。其他的合作者有Jong Min Yuk， David Limmer，Qian Chen，Kwanpyo Kim，Sang Hoon Han，David Weitz和Alex Zettl。

胶体纳米颗粒是悬浮在溶液中的成百上千个原子团簇，团簇的化学和物理性质是由单个纳米粒子的大小和形状决定，通常用于分析单个晶体的三维结构材料的成像技术不能适用于悬浮纳米材料，因为单个粒子在溶液中都不是静态的。蛋白质的功能也由它们的大小和形状决定，想要获取三维蛋白质结构图像的科学家们也面临着类似的问题。蛋白质成像问题是由“单粒子低温电子显微镜”技术解决，该技术利用成千上万张在随机取向冻结的单个蛋白质或蛋白质复合体的二维透射电子显微镜(TEM)图像，然后计算组合成高分辨率3D重构。Alivisatos和他的同事们利用这个概念来创建SINGLE技术。

“在材料科学，我们不能假定溶液中的纳米粒子都是相同的，所以我们需要开发一种混合方式重建单个纳米粒子的三维结构，”该项研究科技论文的作者Peter Ercius说，他也是国家电子显微镜中心(NCEM)分子实验室的科学家。

“SINGLE技术展示了生物和材料科学领域三个TEM成像技术进步的结合，”Ercius说。“这三个进步分别是石墨烯液体电池的发展，允许溶液中自由旋转纳米颗粒TEM成像；直接电子探测器，可以实现对旋转纳米晶体毫秒逐帧分辨率的拍摄；以及用于ab initio单粒子三维重建的理论。”

使本研究成为可能的石墨烯液体电池(GLC)，由Alivisatos领导下在伯克利实验室开发。透射电子显微镜成像使用一束电子而不是用照明和放大的光，但只能用于高真空，因为空气中的分子会干扰电子束。由于液体在高真空环境中蒸发，溶液中样品必须存放在特殊的固体密封容器-被称为电池-在TEM在成像之前存在一个非常薄的观察窗。在过去，液体电池中应用硅基观察窗，其厚度限制了分辨率和扰动了样本材料的自然状态。伯克利国家实验室开发的石墨烯液态电池具有石墨烯制成的观察窗，仅有一个原子的厚度。

“石墨烯液体电池为我们提供了一个纳米粒子的超薄覆层，当保持TEM真空液体条件时，”Ercius说。“石墨烯液体电池表层石墨烯是惰性的，不吸附也不会扰乱纳米颗粒的自然状态。”

Ercius是工作在NCEM TEAM I的世界上最强大的电子显微镜，Alivisatos和他们的同事能够原位记录单个小于2纳米的铂纳米粒子平移和旋转运动图像。选择铂纳米颗粒，是由于它们的高电子散射强度，因为它们详细的原子结构对催化作用很重要。

“我们早期的铂纳米晶体石墨烯液体电池研究表明，它们聚合生长，产生了复杂的结构，该结构无法由任何之前开发的方法确定，”Ercius说。“因为SINGLE技术获得三维结构来源于溶液中单个纳米粒子自由旋转图像，它能对溶液中合成的异构群体的无序纳米粒子进行分析，从而提供一种手段来理解在纳米尺度上缺陷的结构和稳定性。”

SINGLE的下一步是复原完整的胶体纳米粒子的三维原子尺度密度图，使用安装在TEAM I的更高级相机，该相机能提供400帧每秒更好的图像质量。

“我们计划记录不同材料的纳米粒子缺陷图像，如核壳粒子以及双组元合金，”Ercius说。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby    校正：摩天轮