正如蛋白质是生物学的基本组成部分之一，纳米颗粒可以作为下一代材料的基本组成部分。为了保持生物学和纳米技术之间的这种平行性，一种已被证实的测定单个蛋白质三维结构的技术已被用于测定溶液中单个纳米颗粒的三维结构。
由美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)领导的一个多机构研究团队开发了一种名为“SINGLE”的新技术，该技术首次提供了胶体纳米颗粒的原子尺度图像。SINGLE，即通过石墨烯液体细胞电子显微镜对纳米颗粒进行三维结构识别，已被用于分别重建溶液中两个单独的铂纳米颗粒的三维结构。
伯克利实验室主任、著名纳米科学权威Paul Alivisatos领导了这项研究，他说:“了解胶体纳米粒子的结构细节，有助于我们了解它们的合成、生长机制和物理特性，以促进它们在可再生能源、催化和许多其他领域的应用。”“尽管大多数胶体纳米颗粒的结构研究都是在晶体生长完成后在真空中进行的，但我们的SINGLE方法使我们能够确定它们在溶液中的3D结构，这是改进用于催化和能源研究应用的纳米颗粒设计的重要一步。”
Alivisatos还在加州大学伯克利分校担任三星纳米科学和纳米技术杰出教授，并指导伯克利分校的Kavli能源纳米科学研究所(Kavli ENSI)，他是该杂志上一篇详细介绍该研究的论文的通讯作者科学．这篇论文的题目是“用电子显微镜研究溶液中单个纳米晶体的三维结构”。该研究的主要作者是美国哈佛大学的朴中元教授、澳大利亚莫纳什大学的汉斯•埃尔姆伦德教授、美国伯克利大学的彼得•埃尔修斯教授。其他共同作者是Jong Min Yuk, David Limmer, Qian Chen, Kwanpyo Kim, Sang Hoon Han, David Weitz和Alex Zettl。
胶体纳米粒子是由悬浮在溶液中的成百上千个原子组成的簇，其整体的化学和物理性质由单个纳米粒子的大小和形状决定。通常用于分析材料中单个晶体的3D结构的成像技术不能应用于悬浮的纳米材料，因为溶液中的单个粒子不是静态的。
蛋白质的功能也由它们的大小和形状决定，想要成像3D蛋白质结构的科学家也面临着类似的问题。蛋白质成像问题是通过一种叫做“单粒子冷冻电子显微镜”的技术解决的，在这种技术中，单个蛋白质或蛋白质复合体以随机方向冷冻的相同拷贝的数万张2D透射电子显微镜(TEM)图像被记录下来，然后计算结合成高分辨率的3D重建。Alivisatos和他的同事利用这个概念创造了他们的SINGLE技术。
“在材料科学中，我们不能假设溶液中的纳米颗粒是完全相同的，所以我们需要开发一种混合方法来重建单个纳米颗粒的3D结构，”该研究的共同主要作者说科学Peter Ercius是美国能源部科学用户设施办公室分子铸造的国家电子显微镜中心(NCEM)的工作科学家。
“SINGLE代表了生物和材料科学中TEM成像的三种技术进步的结合，”Ercius说。“这三项进展分别是:石墨烯液体电池的开发，可以对在溶液中自由旋转的纳米颗粒进行TEM成像;直接电子探测器的开发，可以产生旋转纳米晶体的毫秒帧对帧时间分辨率的电影;以及从头计算单粒子三维重建理论。”
使这项研究成为可能的石墨烯液体电池(GLC)也是在Alivisatos的领导下在伯克利实验室开发的。TEM成像使用电子束而不是光来照明和放大，但只能在高真空环境中使用，因为空气中的分子会破坏电子束。
由于液体在高真空中蒸发，溶液中的样品必须被密封在特殊的固体容器中——称为细胞——在用TEM成像之前，有一个非常薄的观察窗口。在过去，液体电池以硅基观察窗为特色，其厚度限制了分辨率，扰乱了样品材料的自然状态。伯克利实验室开发的GLC具有一个由石墨烯薄片制成的观察窗口，该薄片只有单原子厚度。
“GLC为我们提供了一层超薄的纳米颗粒覆盖层，同时在TEM真空中保持液体状态，”Ercius说。“由于GLC的石墨烯表面是惰性的，它不会吸附或以其他方式干扰纳米颗粒的自然状态。”
在NCEM的TEAM I(世界上最强大的电子显微镜)工作的Ercius、Alivisatos和他们的同事能够原位成像直径小于2纳米的单个铂纳米颗粒的平动和旋转运动。铂纳米粒子之所以被选中，是因为它们的电子散射强度高，而且它们详细的原子结构对催化很重要。
Ercius说:“我们早期对铂纳米晶体的GLC研究表明，它们通过聚集生长，从而产生复杂的结构，这是任何之前开发的方法都无法确定的。”“由于SINGLE从溶液中自由旋转的单个纳米颗粒的图像中获得其3D结构，它能够分析在溶液中合成的潜在无序纳米颗粒的异质群体，从而提供了一种在纳米尺度上理解缺陷结构和稳定性的方法。”
SINGLE的下一步是使用安装在TEAM I上的更先进的摄像机恢复胶体纳米颗粒的完整3D原子分辨率密度图，该摄像机可以提供每秒400帧和更好的图像质量。
Ercius说:“我们计划成像由不同材料制成的纳米颗粒的缺陷，核壳颗粒，以及由两种不同原子种类制成的合金。”
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