透射電子顯微鏡下原位觀察石墨烯液體池中水的輻解和凝結

胡奇，金傳洪

浙江大學材料科學與工程學院，硅材料國家重點實驗室，杭州 310027

1 引言

很多重要的物理、化學、生物反應過程都發生在溶液中，因而研究液相反應具有重要的意義1,2。近年來新興的液體透射電子顯微鏡(Liquid Cell Transmission Electron Microscopy，LCTEM)能在較高的時間和空間分辨率下原位觀察液相反應的進程3，因此該技術在貴金屬納米晶的生長和刻蝕4–6、電化學沉積7、細胞和生物組織的結構觀察8以及氣泡的形核長大9等研究領域得到廣泛應用。由于透射電鏡對系統的真空度要求高，目前多采用以SiNx薄膜作為窗口的Si基微芯片10來封裝液體?；趶姸鹊纫蛩氐目紤]，選用的SiNx窗口厚度常達100 nm或更高，對電子束的散射較強，加之溶液的額外散射，采用該類Si基微芯片的原位液體電鏡能獲到的實際分辨率有限。對此人們提出了不同的改進方案。其中，選用單層石墨烯11作為窗口材料可以將電子的散射降到極小，同時石墨烯具有極高的機械拉伸強度、彈性12以及對小分子的不滲透性13，可以用來封裝液體和氣體進行真空條件下的實驗14。2012年，Yuk等人15首次報道了利用石墨烯封裝液體作為實時的反應室來進行鉑納米晶生長和動力學行為的研究，在透射電鏡下可達到原子級分辨率15,16。

水在納米尺度下表現出不同尋常的物理、化學性質17–19。液體電鏡中，當高能電子束穿過液層，與水分子相互作用20，即輻解反應，產生多種產物，如H2、H2O2、H3O+和HO2等。納米氣泡的生成就是一個常見的現象。2014年，Shin等人21首次利用石墨烯液體池觀察溶液中納米氣泡的動力學行為，包括氣泡的穩定、消失以及相互之間合并和Oswald熟化等過程；Park等人22進一步發現氣泡間由于氣體傳輸通量各向異性導致氣泡合并前發生形狀扭曲。Wang等人23則通過在掃描透射電鏡下調控電子束劑量率和掃描區域，實現了溶液中氫納米氣泡在時空分布上的精確控制。

由于石墨烯液體池技術較新，且制備難度相對較高24，目前，相關報道的文章數量較少，很多科學問題仍有待深入地研究。本文采用新興的原位石墨烯液體池電鏡，研究受限于石墨烯雙層之間的液體水滴，通過對電子束的調控，實現納米氣泡的產生和不同的生長行為，同時觀察到氣氛中納米液滴的凝結并重復長大/消失的過程。這些新發現的現象，不同于前人報道或宏觀理解，拓寬了人們對納米限域環境下液體性質的認識，研究結果對深入理解電子束與水的相互作用及納米限域環境下水/氣界面相互轉變具有較高的參考價值。

2 實驗部分

2.1 GLC樣品制備

實驗中采用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法制備的高質量的單層石墨烯樣品25并轉移至電鏡微柵26上。石墨烯液體池樣品的制備過程如圖 1所示：首先將石墨烯/銅箔反扣在電鏡微柵(Quantifoil R1.2/1.3，300 Mesh，Au holey carbon TEM grids，SPI)上，石墨烯面與微柵正面接觸，用滴管滴加幾滴異丙醇，80 °C下加熱 30 min，以保證石墨烯與微柵緊密結合。待干燥后將微柵/石墨烯/銅箔置于 Na2S2O8溶液(40 mg·mL-1，AR，上海(滬)試劑廠)中刻蝕銅箔，待刻蝕完畢后將石墨烯/微柵轉移至去離子水中漂洗 3次，撈起干燥，即制得石墨烯微柵。同理，再將另一片石墨烯/銅箔直接置于 Na2S2O8溶液中刻蝕銅箔并清洗三次，獲得自由漂浮的石墨烯。用石墨烯微柵將自由漂浮的石墨烯撈起，靜置干燥10 min。水分干燥過程中，上下兩層石墨烯之間通過范德華力結合在一起，從而將幾十至數百納米大小的液滴束縛在石墨烯夾層中間，獲得石墨烯液體池微珊樣品，如圖1右下方所示。

圖1 石墨烯液體池制備原理圖Fig. 1 Schematic of the fabrication process of graphene liquid cell.

2.2 電鏡表征

采用透射電子顯微鏡(Tecnai G2F20 S-TWIN，美國FEI公司)進行原位液體實驗，TEM模式，曝光時間為0.2 s。實驗中為了控制液體在電子束輻照下的不同行為，采用三種不同電子劑量率輻照的模式：電子劑量率 DH為 1250 e-·?-2·s-1(1 ? =0.1 nm)，對應TEM放大倍數為195k的High Dose Rate 模式；電子劑量率 DM為 62.7 e-·?-2·s-1，倍數43 k的Middle Dose Rate模式以及電子劑量率DL為 1.73 e-·?-2·s-1，7000 倍下的 Low Dose Rate模式。納米氣泡生長的實驗中，首先在High Dose Rate模式下輻照數秒，然后切換并維持在Low Dose Rate模式下，開始實驗圖像和視頻的采集；而在納米液滴凝結的實驗中，始終保持在 Middle Dose Rate模式觀察。

全程采用Bandicam軟件錄制視頻。圖像處理和分析使用Digital Micrograph軟件(Gatan公司)。

3 結果與討論

3.1 納米氣泡的形核生長

實驗中電子束同時作為輻射源和成像照明的光源。入射的高能電子束使水發生輻解反應20，產生以下初期主要產物27–31：

這些初期產物相互間發生進一步的反應，生成額外的物質如O2：

電子束輻照區域涵蓋整個石墨烯液體池，保持電子劑量率恒定，限域空間內液體中各種輻解產物的濃度不會一直增加，而是會在很短的時間(＜ 1 ms)內達到動態平衡9,20。在一定的電子劑量率范圍內，輻解產物的穩態濃度隨電子劑量率呈亞線性增加20。由于輻解的氣體產物中H2的濃度最高，在水中的溶解度又低，所以實驗中觀察到的納米氣泡主要成分為 H223,32。由于石墨烯具有超高的熱導率，所以電子束的加熱效應對實驗的影響忽略不計。

圖2a為石墨烯液體池中原位誘導生成多個納米氣泡的透射電鏡照片序列(Supporting Information，Movie 1)。在6.5 s時液體中出現第一個納米氣泡 1 (Nanobubble-1，NB-1)，在 10.5和18.5 s時氣泡1的上方和下方分別又析出第二、三個氣泡NB-2和NB-3。根據前期文獻報道的模擬和實驗結果23,32，水中H2的飽和濃度所對應的臨界電子劑量率 Dth約為 6–9 e-·?-2·s-1，理論上低于Dth不會觀察到H2氣泡的生成。實驗中先在High Dose Rate模式下輻照數秒，再切換至 Low Dose Rate模式下開始TEM圖片序列的拍攝。High Dose Rate模式下 DH= 1250 e-·?-2·s-1，遠遠大于 Dth，水輻解產生遠遠超出H2的溶解度的大量H2分子。在隨后的 Low Dose Rate模式下，這些過飽和的H2分子以納米氣泡的形式從溶液中依次析出并長大。而此時 DL= 1.73 e-·?-2·s-1，低于 Dth，對應的穩態H2濃度不足以析出氣泡，所以實驗中觀察到的氣泡中的H2分子都是在High Dose Rate模式下產生的。

圖2 電子束誘導納米氣泡的產生和長大Fig. 2 Generation andgrowth dynamics of nanobubbles (NB) via electron-beam radiolysis.(a)Sequential TEM images of the generation of nanobubbles over time, (b) Projected areas (A2D) of nanobubbles as a function of time,(c) Logarithmic relationship between the radius and time of each nanobubble. The black lines are the results of a power law fit of the form r–tβ in different periods of time. Scale bar is 100 nm.

每個氣泡生成后均伴有尺寸上的長大，圖2b分析了每個氣泡的投影面積 A2D隨時間 t增加的關系，散點為各納米氣泡對應的實驗數值，實線分別為相應的線性擬合曲線。由圖可知，氣泡的生長近似滿足 A2D隨 t線性增加，即半徑 r–t1/2。根據LSW理論，氣泡的生長過程主要受界面反應控制，而非擴散控制33。我們進一步分析了不同階段氣泡尺寸增長的情況，圖2c為氣泡1和2的半徑r隨時間t變化的log坐標圖，散點為實驗數值，實線為不同時間段內數據的線性擬合。氣泡的半徑r根據 r = π·A2D1/2求得。因 r–tβ，此時斜率即為 β。當t ＜ 10.5 s時，此時液體中只有氣泡1一個氣泡形成長大，β1= 0.55，近似滿足界面反應控制的生長模式。而當10.5 s ＜ t ＜ 18.5 s時，這一階段除了原有的氣泡1，又析出了氣泡2，此時β1= 0.18，β2= 0.44。明顯看出，氣泡1的生長受到了抑制，新出現的氣泡2優先生長。當t ＞ 18.5 s時，這一階段三個氣泡同時生長，由于氣泡 3的出現，氣泡1和2的生長均受到抑制，幾乎停止生長，β1=0.02，β2= 0.16。由此分析可知，氣泡的生長受相鄰氣泡的影響，新析出的氣泡會抑制既有氣泡的長大行為。同時，可以看到，實驗中并未發生氣泡之間的相互合并或者Oswald熟化，即大氣泡吞并小氣泡的現象，反而是后析出的尺寸較小的納米氣泡正常生長，先形成大的氣泡的生長受到抑制。類比納米晶的生長過程，若初期還原出的單體濃度高于溶液中所有存在的納米晶的溶解度，則此時納米晶的尺寸分布變窄，即生長趨于均一的尺寸34。在我們的實驗中，幾乎所有氣泡中的氣體分子都來自最初High Dose Rate模式作用的階段，切換至 Low Dose Rate模式時氣體的過飽和度相當高，因此同樣也出現了氣泡尺寸分布趨向均一現象。

由納米氣泡的尺寸可以估算氣泡內的壓強和H2分子致密度。根據楊-拉普拉斯方程：ΔP = P -P0= 2γ/r，可以求得納米氣泡界面內外壓差ΔP，式中γ = 72.8 mN·m-1，r為氣泡半徑?？紤]到石墨烯液體池在電鏡腔體內的真空環境下有所膨脹23，P0= 0.8 atm (1 atm = 101 kPa)。由此可求得不同時刻各納米氣泡內部壓力P。如當t = 28 s時，此時r1= 50.8 nm，r2= 49.5 nm，r3= 31.4 nm，對應的壓強分別為P1= 29.07 atm， P2= 29.85 atm，P3=46.5 atm，由此可見納米氣泡內部壓力相當高，且尺寸越小壓力越大。如此高的壓力情況下需要考慮氣體分子之間相互作用，根據范德瓦爾斯狀態方程35：

其中，a、b均為常數，對于 H2，a = 0.242 atm·L-2·mol-2，b = 2.65 × 10-2L·mol-1。V 為納米氣泡的體積，n為氣體摩爾數，R為理想氣體常數，T為溫度。由氣泡尺寸可以解得唯一的實根n/V，即氣泡內的分子摩爾濃度。納米氣泡內的分子數密度nv= n·NA/V，NA為阿伏加德羅常數，相同狀況(0.8 atm，300 K)下理想氣體的數密度 nv0= 3.25 ×·10-2mol·L-1。圖 3a為各納米氣泡內的分子數密度比nv/nv0隨著時間 t和納米氣泡尺寸 r的關系。由圖可見，對于尺寸在20–50 nm范圍內的納米氣泡，其內部氣體分子濃度比相同狀況的理想氣體要高出 35–90倍，此時納米氣泡內的氣體處于致密的壓縮狀態，呈致密的氣相36；隨著時間增大，氣泡尺寸增大，nv/nv0有所降低。

根據氣泡尺寸求得其體積，進而可對氣泡內的分子數進行估算(N = nv·V)。圖3b所示為各納米氣泡內的 H2氣體分子數以及總分子數 Ntotal隨時間t的變化，黑色實線為Ntotal對t的指數擬合，呈Ntotal–t1.16。氣泡中Ntotal近似隨t線性增加，即溶液中的過飽和H2分子數隨t均勻地被消耗。每個納米氣泡隨時間長大，內部分子數也隨之增多，對于半徑為50 nm的納米氣泡，其內部約有3.7 ×105個H2分子，約為半徑25 nm的氣泡內的4倍，而其分子數密度只有后者的約 1/2。氣泡尺寸減小，內部氣體分子數雖然減少，但分子致密度增高，內部壓強增大，理論上納米氣泡由于較大的Laplace壓力難以穩定存在于溶液中。實驗中原位觀察到納米氣泡的形成長大，可能是由于水中的雜質降低了表面張力的原因。利用原位石墨烯液體池電鏡與其他技術手段連用，我們將會對納米尺度下液體和氣泡的生長動力學有更加深入的認識。

圖3 納米氣泡內部分子數密度比和分子數的估算Fig. 3 Estimation of density number ratios and numbers of gas molecules inside the nanobubbles.(a) Different density number ratios (nv/nv0) and sizes (r) trajectories color coded with time for each nanobubble, (b) The number of gas molecules trajectories of each nanobubble and total number (Ntotal) as a function of time. The black power law fitting line shows that Ntotal–t1.16.

3.2 納米水滴的凝結

如果在實驗中持續以恒定的電子劑量率(DM=62.7 e-·?-2·s-1)輻照，水中產生一個大的氣泡后，在氣泡中又發現納米水滴的凝結，并循環地長大/消失，如圖4a所示。納米液滴在圖像右側的卷曲石墨烯內壁上形核，長大到一定尺寸后又與外側的液體(圖中白色箭頭所示)合并(t = 3 s)后消失，水汽又開始在原位置再次凝結成納米液滴并重復該過程(Supporting Information，Movie 2)。實驗中還發現多個位置同時形核，除了中間的液滴1外，8.5 s時在液滴1右上方出現了另一個液滴2；17 s時在液滴1左下方還出現了液滴3。液滴近似呈球冠狀，通過測量其投影扇形的最大高度 h以及弦長L，如圖4b所示，根據幾何關系37可得納米液滴的體積V = π·h(3L2+ 4h2)/24，圖4c為石墨烯內壁上不同位置先后出現的三個納米液滴的體積以及總體積Vtotal隨時間t的變化關系。小液滴2和3出現時間較短，體積也較小，長大到一定尺寸后與液滴1發生合并(t = 9.5 s)，使總的液滴體積增加。

納米液滴1在整個過程中接觸角θ變化可以通過tanθ = 4L·h/(L2- h2)求得，圖4d為其統計分布圖。分析可知液滴接觸角均小于90°，均值約為57.5°，表明卷曲的石墨烯內壁是親水性的。盡管缺少理論上的解釋，但已有相當數量的實驗38–40報道碳納米管填充水內部呈親水性，這里同樣證明彎曲的石墨烯內壁與碳納米管內部類似，呈現出親水性的特征。從TEM照片中可以發現液滴其實并非完全對稱的，液滴左側和右側的接觸角并不相等，而是圍繞公式計算的 θ值上下波動。我們認為這是由于在液滴長大過程中還發生了位置的移動，朝向運動的一側受力的作用，在發生滑動前該側接觸角逐漸變大，另一側則減小，從而導致接觸角滯后效應。這些實驗細節的進一步揭示將得益于原位石墨烯液體池電鏡的運用，更多現象背后的機理將被深入地研究。

圖4 納米水滴的凝結及長大/消失過程Fig. 4 Condensation of nanodroplets and growth/dissolution processes.(a)A time-series of TEM images show the evolution of nanodroplets, (b) The schematic image of a nanodroplet on graphene inner face and its structural parameters including length (L), height (h), curvature radius (r) and contact angle (θ), (c) The volume trajectories of each nanodroplets and total volume as a function of time, (d)Frequency of contact angle values of nanodroplet-1 and average value is approximately 57.5°. Scale bar is 100 nm.

4 結論

本文利用最新的石墨烯液體池技術，在透射電鏡下原位觀察水在電子束作用下的輻解/凝結行為。通過短時間高劑量率的電子束作用輻解水，再回到低電子劑量率閾值下，過飽和濃度的氣體分子會以納米氣泡的形式有序析出。納米氣泡的生長受界面反應限制，且新析出的氣泡會抑制既有氣泡的長大。氣泡內氣體處于致密的壓縮態，體系內總的分子數隨時間近似線性增加。而在適中的電子劑量率持續作用下，石墨烯壁上不斷有納米水滴凝結，長到一定尺寸后和周圍液體匯合，原形核位點重新形成納米液滴。通過接觸角的測算發現卷曲的石墨烯內壁呈親水性。

實驗表明原位石墨烯液體池電鏡在研究液相反應方面具有廣闊的應用前景，結果對納米限域環境下氣/液界面轉變的研究也具有指導意義。同時可以看到電子束對原位液體電鏡實驗過程有重要的影響，準確理解電子束和水的相互作用對于輻照效應的分析、解釋、削弱或利用都是十分必要的。

致謝：北京大學張艷峰研究員及其博士生張哲朋，浙江大學趙沛副教授及其研究生徐晨為實驗提供高質量單層石墨烯樣品。浙江大學電鏡中心提供原位實驗電鏡機時。

Supporting Information:available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.