Liquid-phase electron microscopy : toward direct imaging of self-assembly processes in low-atomic number colloidal suspensions

Abstract

It is of great technological interest to control the organization of nanoparticles (NPs) into functional devices that can make use of NP’s properties not found in the bulk form of the solid material. To this end, a major scientific challenge is to further elucidate inter-particle forces that govern spontaneous self-assembly processes in liquid suspensions. Liquid-phase electron microscopy (LPEM) can resolve morphological details of small objects in μm-thick liquid layers with nanometer resolution. The goal of this doctoral thesis has been to develop LPEM towards directly visualizing colloidal self-assembly processes in aqueous suspensions. As a model system, we used a colloidal binary system in which positively charged 30 nm nanoparticles (SiONP) form a shell around 100 nm, negatively charged polystyrene microspheres (PMS). Analytical calculations and Monte-Carlo simulations were performed to optimize experimental parameters and to validate contrast in data obtained with a scanning transmission electron microscope (STEM). The extent of radiolytic damage due to the electron beam (PMS) was directly analyzed from the image data and an acceptable dose range was defined. Within this range, the core-shell structure of the pre-assembled binary system was directly visualized. Finally, a novel liquid cell design was tested which enabled us to initiate colloidal assembly reactions in the confinement of the nanofluidic device.

Es ist von großem technologischem Interesse, die Organisation von Nanopartikeln (NPs) in funktionellen Anlagen zu steuern. In diesem Kontext besteht eine große wissenschaftliche Herausforderung darin, die Kräfte zwischen den Partikeln, die die spontanen Selbstorganisationsprozesse (S-A) in flüssigen Suspensionen steuern, weiter aufzuklären. Die Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie (LPEM) kann morphologische Details kleiner Objekte in μm-dicken Flüssigkeitsschichten im nm-Bereich auflösen. Ziel dieser Doktorarbeit war es, LPEM weiter zu entwickeln, um kolloidale S-A in wässrigen Suspensionen direkt sichtbar zu machen. Als Modellsystem verwendeten wir ein kolloidales Binärsystem, in dem positiv geladene 30-nm-Nanopartikel (SiONP) eine Hülle um negativ geladene 100-nm-Polystyrol-Mikrokugeln (PMS) bilden. Analytische Berechnungen und Monte-Carlo-Simulationen wurden durchgeführt, um experimentelle Parameter zu optimieren und die Kontrastbildung in rastertransmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen zu validieren. Das Ausmaß der radiolytischen Schädigung der PMS durch den Elektronenstrahl wurde anhand der Bilddaten analysiert, und ein akzeptabler Dosisbereich wurde definiert. Innerhalb dieses Bereichs wurde die Core-Shell-Struktur des vormontierten Binärsystems direkt visualisiert. Abschließend wurde ein neuartiges Flüssigkeitszelldesign getestet, das es uns ermöglichte, kolloidale S-A in der geschlossenen, nanofluidischen Vorrichtung zu initiieren und visualisieren.