作为能源创新核心的化学反应的动力学在纳米长度上展开——这个尺度太小，无法直接见证原子细节，被观测工具的局限性所掩盖。科学家们只能根据间接证据进行推测，而不是目视验证他们旨在优化的复杂分子舞蹈潜在机制。
现在，西北大学的研究人员在《科学进展》，这是一项变革性的制造突破，最终为科学家配备了足够薄的微观门户，以暴露基本长度尺度上的化学过程。厚度仅为 10 纳米的超薄氮化硅膜窗口片可提供清晰的成像和化学分析，而以前的研究平台本质上是模糊的。这些稳定的膜由刚性硅骨架支撑，在空间上限制在狭小但丰富的观察区域，克服了长达十年的斗争，以平衡微小的厚度和弹性。
薄窗口有助于在专用电子显微镜内对封闭的液体和气体纳米反应器进行分辨率的大幅提高。与传统的较厚外壳相比，详细的前后表征强调了显着增强的图像、化学特征和衍射数据。
该研究还证明了在微秒内区分快速反应动力学和步骤的能力。科学家们预计，控制催化、气体传感、微电子等机制的直接纳米视图将开辟新的研究前景，通过最终畅通无阻的观察来加速发现。
在这项研究中，研究人员通过具体实验展示了超薄氮化硅膜的实际应用。例如，他们将金纳米颗粒封闭在具有不同厚度膜的气室中。这导致了成像清晰度的大幅提高，明显地分辨了金晶格结构和晶体取向。
此外，他们还利用该技术观察钯纳米立方体反应。纳米立方体在氢气暴露时迅速膨胀和收缩，这一过程被实时捕获。这些实验强调了该膜促进高分辨率成像和分析的能力，这对于理解各个科学领域的纳米级现象至关重要。
长期阻碍进展的顽固屏障是将化学样品封闭在电子显微镜内的氮化硅膜。虽然坚固透明，但商业氮化硅膜的厚度为100纳米，比所研究的纳米级催化剂颗粒厚得多。就像透过磨砂玻璃看一样，厚厚的薄膜会模糊图像并散射电子，从而无法清晰观察。科学家们只能根据间接证据进行推测，而不是直接可视化化学反应过程中的原子构型和键合。
这项新研究表明，通过战略性地加固带有刚性硅支撑的超薄10纳米氮化硅膜，封闭材料可以比以前薄20倍，同时保持稳定的抗压力和电子束损伤。这使得透射电子显微镜内专用“纳米反应器”室内的成像分辨率、化学分析和衍射数据有了巨大的提高。
先进的制造技术不仅改进了现有的显微镜设置，而且还进行了实用的全新实验，以揭示从催化到微电子再到可再生能源等领域的纳米级复杂性。该研究提供了纳米颗粒催化剂的出色可视化，并表征了钯纳米立方体中的快速氢吸收动力学，直至微秒级发生的反应步骤。
“通过我们制造超薄但坚固的膜的策略，我们现在可以获得以前无法区分的流固界面上发生的结构构型和化学转变的精确视觉确认，”该研究的合著者Vinayak Dravid解释说。
氮化硅膜是将纳米级液体和气体室封闭在电子显微镜内的既定标准，使科学家能够在真实的大气环境中检查材料。但这些膜的厚度为50至100纳米，而所研究的催化剂纳米颗粒和原子团簇通常只有1至5纳米宽。通过如此厚的窗户成像类似于在游泳池底部观察物体。
虽然一些显微镜使用“开孔”系统来保持压力梯度来模拟环境，但闭孔方法简单、成本更低，并且适用于更广泛的液体和蒸汽条件。如果不是由于膜的模糊性和较低厚度的不稳定性所带来的限制，闭孔系统将提供理想的纳米级反应器，以通过电子成像和光谱学解开界面反应的奥秘。
研究人员此前已经确定，减少膜厚度可以提高分辨率，但现有的制造策略在30纳米以下步履蹒跚。在没有支撑的情况下，这种超薄膜在微观压力梯度和电子束照射下会下垂、起皱和破裂。早期尝试实现较小部分的薄膜仍然覆盖了大部分观察区域。到目前为止，还没有一种技术能够与实际广泛采用的商业可行性相匹配。
西北大学团队在专门的掺杂工艺中应用了独特的专业知识，构建了一个由重掺硼硅组成的刚性蜂窝，支持一个由10纳米氮化硅区域组成的开放网格，其大小刚好足以进行成像。模拟和物理测试证实，他们的背支撑超薄膜在降解之前可以承受超过五倍的大气压和超过典型成像剂量几个数量级的直接电子束暴露。
“具有薄膜的小观察窗被强支撑物包围的策略消除了以前关于稳定性和可扩展性的障碍，”该研究的第一作者Kunmo Koo解释说。
为了强调其超薄膜带来的清晰度性能提升，研究人员将相同的10纳米金纳米颗粒样品封闭在具有不同膜厚度的气室中。与市售膜相比，对比度显著提高，明显分辨了金晶格结构和晶体取向。更薄的膜还降低了背景噪声，以提高元素光谱的信号保真度。在与许多催化反应相关的低100托压下，在各种气体种类的电子能量损失光谱中，出现了以前无法检测到的特征性化学指纹。
Koo还通过捕获电子衍射数据来演示该系统，这些数据描绘了钯纳米立方体在快速吸收和释放氢气时的膨胀和收缩。在室温和标准气氛的封闭环境中，钯晶格间距在氢气暴露时扩大了4%。通过每 0.3 秒进行一次原位测量，该团队表征了扩散速度和吸附动力学，揭示了储氢过程中的具体限速步骤。这些进展揭示了长期笼罩的细节，对指导改进储氢材料的设计具有重要意义。
“随着我们广泛实施的策略最终将高分辨率分子成像纳入标准实践，我们设想研究人员将对流体 - 表面相互作用进行各种创新研究，以发现新的催化剂范式，新型微电子学等，”Koo说。
该研究的作者目前正在为西北大学的用户制造基于超薄膜的气体电池和液体电池。他们认为，大规模为透射电子显微镜配备薄窗口反应器的能力将证明是纳米科学标准化的游戏规则改变，就像PCR机器能够进行DNA分析一样。
“从可再生能源技术到微电子学，许多领域都可以通过直接可视化以前无法清晰辨别的分子过程来获得基本的见解，”Dravid总结道。“我们很高兴看到由于最终克服了这一顽固的局限性，会出现哪些新发现，就像PCR解锁了遗传学一样。
