電鏡是科學(xué)研究中進(jìn)行原子和分子尺度表征的重要工具，冷凍電鏡（cryoEM）的出現(xiàn)使得研究者可以用它來觀察傳統(tǒng)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?理查德·亨德森（Richard Henderson），就是因?yàn)樗麄冇美鋬鲭婄R觀察到了生物分子的“原始狀態(tài)”，為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展開啟了一扇大門。
冷凍電鏡之所以適用于那些脆弱的體系，是因?yàn)樗梢栽诘碗娮幽芰肯逻M(jìn)行檢測與成像。與傳統(tǒng)電鏡采用電荷耦合檢測器（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(jìn)行成像。
隨著材料和納米科學(xué)的發(fā)展，電鏡技術(shù)的進(jìn)步也日新月異，雖然出現(xiàn)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(xué)分布，以及鍵合狀態(tài)的分析，但是傳統(tǒng)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，斯坦福大學(xué)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(jìn)行觀察，在關(guān)鍵界面處發(fā)現(xiàn)了新的原子結(jié)構(gòu)，掀起了冷凍電鏡在電池材料領(lǐng)域研究的熱潮。
成果介紹
作為第一個在材料領(lǐng)域應(yīng)用冷凍電鏡的科學(xué)家，斯坦福大學(xué)崔屹教授課題組總結(jié)了近年來冷凍電鏡技術(shù)在材料和納米科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)隨著冷凍電鏡技術(shù)的日臻完善，在電池、聚合物、金屬有機(jī)骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料這六大領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，解決了這些領(lǐng)域中眾多長期懸而未決的問題，極大的促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展，認(rèn)為冷凍電鏡應(yīng)該成為材料和納米科學(xué)研究中的基礎(chǔ)技術(shù)。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之一——鋰電池材料
圖1. 冷凍電鏡在電池材料中的應(yīng)用。（a）鋰金屬原子分辨率冷凍電鏡圖像和低溫傳輸過程示意圖；在不同電解質(zhì)中觀察到的（b）固態(tài)電解質(zhì)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(nèi)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(fù)極、集流體、電解質(zhì)組成，內(nèi)部存在各種界面，了解這些界面納米結(jié)構(gòu)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(shù)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(xué)狀態(tài)。崔屹等人利用這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)在兩種不同的電解質(zhì)中，鋰金屬表面上會形成兩種不同的界面納米結(jié)構(gòu)。Men等人利用冷凍電鏡觀察到了非晶態(tài)的鋰金屬結(jié)構(gòu)，Kourkoutis等人將冷凍電鏡與EELS相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的LiH，并成功繪制出電解質(zhì)中Li的液/固界面。
固態(tài)電解質(zhì)薄膜對鋰離子電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要，從正極溶解的金屬離子（例如Ni2+、Mn2+）會造成容量損失，借助冷凍電鏡和EELS技術(shù)，研究者就可以精確定位SEI中這些金屬離子的空間分布，并揭示負(fù)極相間結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的局部變化。鋰硫電池中的穿梭效應(yīng)會造成容量衰減，Nazar和崔毅等人利用冷凍電鏡技術(shù)研究了多硫化物在正極處的溶解過程，建立了SEI的結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系。
崔屹教授認(rèn)為冷凍電鏡技術(shù)在鋰離子電池中還應(yīng)該有更廣闊的應(yīng)用，如Li金屬負(fù)極與集流體之間的晶格失配、中間產(chǎn)物的空間分布以及亞穩(wěn)態(tài)中間體的結(jié)構(gòu)等。在鋰離子電池中，Li負(fù)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(xué)沉積在Cu上，鋰和銅之間較大的晶格失配會導(dǎo)致大的機(jī)械應(yīng)力，從而影響鋰金屬的成核和生長，利用冷凍電鏡技術(shù)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(huán)過程中界面的變化規(guī)律。在電池循環(huán)過程中會產(chǎn)生很多化學(xué)物質(zhì)（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(jié)晶起源提供依據(jù)。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之二——聚合物
圖2. 冷凍電鏡在聚合物材料中的應(yīng)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）噻吩并[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(lán)色）、聚二甲基硅氧烷（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(shù)聚合物材料來說，直接進(jìn)行傳統(tǒng)電鏡表征難免會受到電子束的破壞，采用冷凍電鏡技術(shù)是個不錯的選擇。
Weber等人利用這一技術(shù)對水合Nafion薄膜納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3D重建，認(rèn)為這是一種相互連接的管道型網(wǎng)絡(luò)，其微區(qū)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(jī)理。
Minor等人將冷凍電鏡與四維高分辨技術(shù)相結(jié)合，直接將聚合物結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的關(guān)系可視化，通過控制聚合物中納米結(jié)晶的分布和取向提高了材料性能。Libera等人將冷凍電鏡技術(shù)與EELS相結(jié)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(rèn)為冷凍電鏡技術(shù)與四維高分辨和EELS相結(jié)合可以在聚合物領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。如導(dǎo)電聚合物分子鏈在多尺度上的排列和組裝，聚合物晶區(qū)和非晶區(qū)界面處的局部化學(xué)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?shù)哪軌?，利用冷凍電鏡技術(shù)將其可視化后，可以為導(dǎo)電聚合物電荷傳輸模擬提供基礎(chǔ)。已證明添加無機(jī)納米顆?？梢源蠓忍岣吖腆w聚合物電解質(zhì)中的鋰離子電導(dǎo)率，但其機(jī)理仍不明確。崔毅教授認(rèn)為可以將冷凍電鏡與四維高分辨相結(jié)合，以分析聚合物的晶體幾何形狀和3D結(jié)構(gòu)，來判斷添加無機(jī)納米粒子后是否具有增塑作用。將上述技術(shù)結(jié)合還可以揭示聚合物與無機(jī)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(qiáng)烈，則可以支持路易斯酸假說。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之三——金屬有機(jī)骨架（MOF）
圖3. 冷凍電鏡在金屬有機(jī)骨架（MOF）和鈣鈦礦太陽能電池材料中的應(yīng)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(biāo)出的（b）區(qū)域I和（c）區(qū)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(jī)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(yīng)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(yīng)用冷凍電鏡不僅可以了解單個MOF顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，還可以將其冷凍為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)直接觀察。
崔屹等人利用冷凍電鏡研究了MOF的不穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在低溫下，冷凍電鏡保留了吸附在MOF內(nèi)的CO2分子，可以在原子分辨率下直接觀察氣體分子。
崔屹教授認(rèn)為利用冷凍電鏡還可以研究客體分子插入過程中MOF結(jié)構(gòu)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(jié)，就能在單MOF顆粒尺度上研究分子的整個吸附動力學(xué)。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(shù)研究客體分子構(gòu)象和化學(xué)性質(zhì)如何影響與MOF骨架的相互作用，對于設(shè)計(jì)新的MOF材料至關(guān)重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來人們可以用這種技術(shù)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(xué)。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之四——鈣鈦礦太陽能電池
Rothmann等人的研究表明當(dāng)鹵化物鈣鈦礦暴露于2e-1·?-2·s-1電子束下7分鐘后，其晶體結(jié)構(gòu)就發(fā)生了非晶化轉(zhuǎn)變，說明傳統(tǒng)電鏡技術(shù)在表征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(shù)直接觀察到了MAPbI3材料未被破壞的原子結(jié)構(gòu)，如果在傳統(tǒng)電鏡下觀察這種材料，則會由于電子束和高真空的作用導(dǎo)致材料表面發(fā)生降解。
已有的研究發(fā)現(xiàn)混合鹵化物鈣鈦礦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于極化子-光生載流子以及晶格畸變導(dǎo)致的，Ginsberg等人利用冷凍電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)了晶粒內(nèi)此類極化子的畸變，揭示了其沿晶界的分布，證實(shí)了上述假說。
崔屹教授認(rèn)為隨著低溫聚焦離子束（FIB）和低溫超薄切片技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)（如離子遷移通道）和化學(xué)物質(zhì)，還可以在納米尺度下研究材料的失效機(jī)理。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之五——電催化
電催化反應(yīng)通常發(fā)生在三相界面處，即使是最簡單的電催化反應(yīng)采用傳統(tǒng)方法也很難進(jìn)行研究。Sargent等人合成了一種離聚物本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的催化劑，他們采用冷凍電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)在三相界面處存在5-10 nm的連續(xù)和共形離聚物層，正是這層物質(zhì)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(shù)研究了Pt催化下水解制氫反應(yīng)，通過快速凍結(jié)并捕獲催化劑的中間狀態(tài)，研究了催化劑動態(tài)表面原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。
崔屹教授認(rèn)為利用冷凍電鏡技術(shù)可以研究催化劑表面晶格應(yīng)變對反應(yīng)物分子化學(xué)吸附的影響，以及顆粒團(tuán)聚和催化劑中毒機(jī)理。三相邊界是發(fā)生電催化的區(qū)域，也是最難研究的區(qū)域，利用冷凍電鏡通過在反應(yīng)過程中將Pt催化劑凍結(jié)在50 nm液膜中，可以直接觀察這些電化學(xué)活性區(qū)域。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之六——量子材料
圖6.冷凍電鏡在量子材料中的應(yīng)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(huán)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(dǎo)、超流動或者拓?fù)漤樞虻牟牧媳环Q為“量子材料”，這些奇特的性能通常在低溫下才會表現(xiàn)出來。正是由于這個原因，自上世紀(jì)60年代以來，人們已經(jīng)在液He溫度下采用電子顯微鏡研究量子材料。隨著冷凍電鏡技術(shù)的進(jìn)步，研究者可以同時得到量子材料中化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息，Kourkoutis等人利用冷凍電鏡技術(shù)將停留時間減少到0.5μs，在低溫下（93 K）研究了氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的皮克級位移，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)的電子相關(guān)性，通過冷凍電鏡與EELS相結(jié)合，可以得到很多微觀信息。Chan等人在10 K下采用這些技術(shù)發(fā)現(xiàn)了電子從SrTiO3轉(zhuǎn)移到FeSe的直接證據(jù)。Kourkoutis等人利用冷凍電鏡技術(shù)在原子分辨率上研究了Nd0.5Sr0.5MnO3（NMSO）薄膜的元素分布圖。
崔屹教授認(rèn)為隨著冷凍電鏡和EELS技術(shù)的進(jìn)步，可以用來研究量子材料中納米級變化，這有助于揭示量子材料的許多奧秘。
總結(jié)與展望
冷凍電鏡技術(shù)的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究突飛猛進(jìn)，但是在材料和納米科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用才剛剛起步，在樣品制備、成像條件和數(shù)據(jù)處理等方面還有待完善，斯坦福大學(xué)崔屹教授課題組總結(jié)了近年來冷凍電鏡在電池、聚合物、金屬有機(jī)骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料這六大領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展，認(rèn)為冷凍電鏡技術(shù)與EDS、EELS和四維高分辨技術(shù)的結(jié)合，必將在原子級尺度上成為研究者進(jìn)行材料表征的利器，隨著研究者在納米界面和亞穩(wěn)態(tài)條件下化學(xué)與結(jié)構(gòu)特征研究的深入，必將在材料和物理研究的多個領(lǐng)域產(chǎn)生豐碩的成果。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05020
