背景介紹
電鏡是科學研究中進行原子和分子尺度表徵的重要工具，冷凍電鏡（cryoEM）的出現使得研究者可以用它來觀察傳統電鏡無能為力的體系，如生物分子。2017年諾貝爾獎頒給了雅克·杜波謝（Jacques Dubochet）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank） 和 理察·亨德森（Richard Henderson），就是因為他們用冷凍電鏡觀察到了生物分子的「原始狀態」，為結構生物學的發展開啟了一扇大門。
冷凍電鏡之所以適用於那些脆弱的體系，是因為它可以在低電子能量下進行檢測與成像。與傳統電鏡採用電荷耦合檢測器（CCD）不同，冷凍電鏡使用直接電子檢測器（DED），有更好的檢測量子效率（DQE）和更高的信噪比，因此可以在更低電子輻射下進行成像。
隨著材料和納米科學的發展，電鏡技術的進步也日新月異，雖然出現了一些新的手段，如高分辨電鏡（STEM）、能量色光譜（EDS）和電子能量損失光譜（EELS）等，可以對原子排列/位移、化學分布，以及鍵合狀態的分析，但是傳統電鏡對那些脆弱的體系，如電子束敏感的高能電池材料仍然無能為力。
2017年，史丹福大學的崔屹教授成了第一個「吃螃蟹」的人，他們率先使用冷凍電鏡對電池材料進行觀察，在關鍵界面處發現了新的原子結構，掀起了冷凍電鏡在電池材料領域研究的熱潮。
成果介紹
作為第一個在材料領域應用冷凍電鏡的科學家，史丹福大學崔毅教授課題組總結了近年來冷凍電鏡技術在材料和納米科學中的應用進展，發現隨著冷凍電鏡技術的日臻完善，在電池、聚合物、金屬有機骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料這六大領域的應用越來越廣泛，解決了這些領域中眾多長期懸而未決的問題，極大的促進了這些學科的發展，認為冷凍電鏡應該成為材料和納米科學研究中的基礎技術。
圖1. 冷凍電鏡在電池材料中的應用。（a）鋰金屬原子解析度冷凍電鏡圖像和低溫傳輸過程示意圖；在不同電解質中觀察到的（b）固態電解質膜（SEI）和（c）多層SEI的冷凍電鏡圖像；（d）電子透明的低溫聚焦離子束抬升；（e）電池內部固液界面處的冷凍電鏡圖像；（f）電子能量損失譜（EELS）顯示出界面處碳、氧和氟元素分布。鋰離子電池由正極、負極、集流體、電解質組成，內部存在各種界面，了解這些界面納米結構如何隨電池工況的演變是電池研究中的難題，冷凍電鏡技術正好可以大展身手。在快速冷凍下，電池材料就能保持原始的電化學狀態。崔毅等人利用這一技術發現在兩種不同的電解質中，鋰金屬表面上會形成兩種不同的界面納米結構。Men等人利用冷凍電鏡觀察到了非晶態的鋰金屬結構，Kourkoutis等人將冷凍電鏡與EELS相結合，發現電池運行過程中會產生大量的LiH，並成功繪製出電解質中Li的液/固界面。固態電解質薄膜對鋰離子電池的安全運行至關重要，從正極溶解的金屬離子（例如Ni2+、Mn2+）會造成容量損失，藉助冷凍電鏡和EELS技術，研究者就可以精確定位SEI中這些金屬離子的空間分布，並揭示負極相間結構和化學成分的局部變化。鋰硫電池中的穿梭效應會造成容量衰減，Nazar和崔毅等人利用冷凍電鏡技術研究了多硫化物在正極處的溶解過程，建立了SEI的結構-性能的關係。崔屹教授認為冷凍電鏡技術在鋰離子電池中還應該有更廣闊的應用，如Li金屬負極與集流體之間的晶格失配、中間產物的空間分布以及亞穩態中間體的結構等。在鋰離子電池中，Li負極與Cu集流體之間的界面特別重要，Li在充電時直接電化學沉積在Cu上，鋰和銅之間較大的晶格失配會導致大的機械應力，從而影響鋰金屬的成核和生長，利用冷凍電鏡技術可以直接觀察活性材料與集流體之間的原子界面，得到電池循環過程中界面的變化規律。在電池循環過程中會產生很多化學物質（例如多硫化物、鋰離子等），研究這些化合物在充放電過程中的分布以及電極表面的均勻程度，可以為理解樹枝狀和非樹枝狀鋰金屬結晶起源提供依據。圖2. 冷凍電鏡在聚合物材料中的應用。（a-b）100 nm厚的Nafion膜冷凍電鏡圖像；（c）溶液鑄膜和（d）退火的聚[2,5-雙（3-十四烷基噻吩-2-基）噻吩並[3,2-b]噻吩]（PBTTT）薄膜的冷凍電鏡圖像；（e）溶液鑄膜和（f）退火PBTTT薄膜的流線圖；（g）無定形冰（藍色）、聚二甲基矽氧烷（PDMS）（綠色）和共聚物（紅色）的低損耗電子能量損失光譜圖（EELS）。對大多數聚合物材料來說，直接進行傳統電鏡表徵難免會受到電子束的破壞，採用冷凍電鏡技術是個不錯的選擇。Weber等人利用這一技術對水合Nafion薄膜納米結構進行了3D重建，認為這是一種相互連接的管道型網絡，其微區間距約為5 nm，這種直接成像方法揭示了離子交換薄膜中的離子傳輸機理。Minor等人將冷凍電鏡與四維高分辨技術相結合，直接將聚合物結構-性質的關係可視化，通過控制聚合物中納米結晶的分布和取向提高了材料性能。Libera等人將冷凍電鏡技術與EELS相結合，成功地獲得了水、PDMS以及共聚物的低損耗EELS映射圖像。崔屹教授認為冷凍電鏡技術與四維高分辨和EELS相結合可以在聚合物領域有更廣泛的應用。如導電聚合物分子鏈在多尺度上的排列和組裝，聚合物晶區和非晶區界面處的局部化學特性，聚合物薄膜中晶體之間是如何連接的，如果是長聚合物鏈連接，會降低不同晶體之間電荷傳輸的能壘，利用冷凍電鏡技術將其可視化後，可以為導電聚合物電荷傳輸模擬提供基礎。已證明添加無機納米顆粒可以大幅度提高固體聚合物電解質中的鋰離子電導率，但其機理仍不明確。崔毅教授認為可以將冷凍電鏡與四維高分辨相結合，以分析聚合物的晶體幾何形狀和3D結構，來判斷添加無機納米粒子後是否具有增塑作用。將上述技術結合還可以揭示聚合物與無機填料之間界面處的元素分布，如果這些界面處陰離子物種的信號強烈，則可以支持路易斯酸假說。冷凍電鏡六大應用領域之三——金屬有機骨架（MOF）圖3. 冷凍電鏡在金屬有機骨架（MOF）和鈣鈦礦太陽能電池材料中的應用。（a）沸石咪唑酸酯骨架8（ZIF-8）清晰的冷凍電鏡圖像；（b，c）在（a）中紅框標出的（b）區域I和（c）區域II的放大圖像；（d，e）未填充（d）和CO2填充（e）的MOF顆粒的冷凍電鏡圖像；（f）MAPBI3鈣鈦礦太陽能電池的冷凍電鏡圖像；（g）鈣鈦礦的[PBI6]4-八面體和MA+分子的冷凍電鏡圖像。金屬有機骨架（MOF）是一類多孔材料，主體骨架與客體分子之間的相互作用研究是這種材料應用過程中的核心問題，但是研究者在原子尺度上對這種相互作用的了解甚少。應用冷凍電鏡不僅可以了解單個MOF顆粒的晶體結構，還可以將其冷凍為亞穩態結構直接觀察。崔屹等人利用冷凍電鏡研究了MOF的不穩態和亞穩態結構，發現在低溫下，冷凍電鏡保留了吸附在MOF內的CO2分子，可以在原子解析度下直接觀察氣體分子。崔屹教授認為利用冷凍電鏡還可以研究客體分子插入過程中MOF結構的變化，通過控制氣體含量和吸附時間，利用冷凍電鏡將MOF材料在吸附不同階段驟降凍結，就能在單MOF顆粒尺度上研究分子的整個吸附動力學。通過冷凍電鏡可以觀察不同MOF材料中界面處的晶體缺陷，以研究這些缺陷對氣體存儲和傳輸行為的影響。除此之外，利用冷凍電鏡技術研究客體分子構象和化學性質如何影響與MOF骨架的相互作用，對於設計新的MOF材料至關重要。隨著技術的發展，在不久的將來人們可以用這種技術研究多種客體分子（例如藥物、水、甲醇等）的多組分嵌入動力學。Rothmann等人的研究表明當滷化物鈣鈦礦暴露於2e-1·Å-2·s-1電子束下7分鐘後，其晶體結構就發生了非晶化轉變，說明傳統電鏡技術在表徵鈣鈦礦太陽能電池材料時存在問題。崔屹等人利用冷凍電鏡技術直接觀察到了MAPbI3材料未被破壞的原子結構，如果在傳統電鏡下觀察這種材料，則會由於電子束和高真空的作用導致材料表面發生降解。已有的研究發現混合滷化物鈣鈦礦MAPb(BrxI1-x)3會分成富含碘化物和富含溴化物的兩相，相分離的原因可能是由於極化子-光生載流子以及晶格畸變導致的，Ginsberg等人利用冷凍電鏡技術發現了晶粒內此類極化子的畸變，揭示了其沿晶界的分布，證實了上述假說。崔屹教授認為隨著低溫聚焦離子束（FIB）和低溫超薄切片技術的發展，可以利用冷凍電鏡觀察和研究在太陽能電池器件各層界面處形成的納米結構（如離子遷移通道）和化學物質，還可以在納米尺度下研究材料的失效機理。電催化反應通常發生在三相界面處，即使是最簡單的電催化反應採用傳統方法也很難進行研究。Sargent等人合成了一種離聚物本體異質結結構的催化劑，他們採用冷凍電鏡技術發現在三相界面處存在5-10 nm的連續和共形離聚物層，正是這層物質的存在，可以使得氣體、離子和電子的傳輸解耦。Sargent等人利用冷凍電鏡技術研究了Pt催化下水解制氫反應，通過快速凍結並捕獲催化劑的中間狀態，研究了催化劑動態表面原子結構和化學性質。崔屹教授認為利用冷凍電鏡技術可以研究催化劑表面晶格應變對反應物分子化學吸附的影響，以及顆粒團聚和催化劑中毒機理。三相邊界是發生電催化的區域，也是最難研究的區域，利用冷凍電鏡通過在反應過程中將Pt催化劑凍結在50 nm液膜中，可以直接觀察這些電化學活性區域。圖6.冷凍電鏡在量子材料中的應用。（a-c）Bi1-xSrx-yCayMnO3（BSCMO）在93 K時耦合電荷晶格的冷凍電鏡圖像；（d）在96 K下Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜中Nd和Mn的環形暗場和偽彩色圖像；（e）在96 K下Mn-L2,3和Nd-M4,5邊緣處的元素分布圖；（f）扣除背景的Mn-L2,3和Nd-M4,5光譜圖；（g）在室溫和低溫下獲得的Mn-L2,3和O-K邊緣的電子能量損失譜圖。具有超導、超流動或者拓撲順序的材料被稱為「量子材料」，這些奇特的性能通常在低溫下才會表現出來。正是由於這個原因，自上世紀60年代以來，人們已經在液He溫度下採用電子顯微鏡研究量子材料。隨著冷凍電鏡技術的進步，研究者可以同時得到量子材料中化學組成和結構信息，Kourkoutis等人利用冷凍電鏡技術將停留時間減少到0.5μs，在低溫下（93 K）研究了氧化物異質結構中的皮克級位移，發現了室溫和低溫下錳氧化合物電荷排序的差異。許多量子材料具有很強的電子相關性，通過冷凍電鏡與EELS相結合，可以得到很多微觀信息。Chan等人在10 K下採用這些技術發現了電子從SrTiO3轉移到FeSe的直接證據。Kourkoutis等人利用冷凍電鏡技術在原子解析度上研究了Nd0.5Sr0.5MnO3（NMSO）薄膜的元素分布圖。崔屹教授認為隨著冷凍電鏡和EELS技術的進步，可以用來研究量子材料中納米級變化，這有助於揭示量子材料的許多奧秘。冷凍電鏡技術的出現使得結構生物學的研究突飛猛進，但是在材料和納米科學領域中的應用才剛剛起步，在樣品製備、成像條件和數據處理等方面還有待完善，史丹福大學崔屹教授課題組總結了近年來冷凍電鏡在電池、聚合物、金屬有機骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料這六大領域中的應用進展，認為冷凍電鏡技術與EDS、EELS和四維高分辨技術的結合，必將在原子級尺度上成為研究者進行材料表徵的利器，隨著研究者在納米界面和亞穩態條件下化學與結構特徵研究的深入，必將在材料和物理研究的多個領域產生豐碩的成果。原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05020名稱：材料科學前沿
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