透射电子显微镜下原位观察石墨烯液体池中水的辐解和凝结

胡奇，金传洪

浙江大学材料科学与工程学院，硅材料国家重点实验室，杭州 310027

1 引言

很多重要的物理、化学、生物反应过程都发生在溶液中，因而研究液相反应具有重要的意义1,2。近年来新兴的液体透射电子显微镜(Liquid Cell Transmission Electron Microscopy，LCTEM)能在较高的时间和空间分辨率下原位观察液相反应的进程3，因此该技术在贵金属纳米晶的生长和刻蚀4–6、电化学沉积7、细胞和生物组织的结构观察8以及气泡的形核长大9等研究领域得到广泛应用。由于透射电镜对系统的真空度要求高，目前多采用以SiNx薄膜作为窗口的Si基微芯片10来封装液体。基于强度等因素的考虑，选用的SiNx窗口厚度常达100 nm或更高，对电子束的散射较强，加之溶液的额外散射，采用该类Si基微芯片的原位液体电镜能获到的实际分辨率有限。对此人们提出了不同的改进方案。其中，选用单层石墨烯11作为窗口材料可以将电子的散射降到极小，同时石墨烯具有极高的机械拉伸强度、弹性12以及对小分子的不渗透性13，可以用来封装液体和气体进行真空条件下的实验14。2012年，Yuk等人15首次报道了利用石墨烯封装液体作为实时的反应室来进行铂纳米晶生长和动力学行为的研究，在透射电镜下可达到原子级分辨率15,16。

水在纳米尺度下表现出不同寻常的物理、化学性质17–19。液体电镜中，当高能电子束穿过液层，与水分子相互作用20，即辐解反应，产生多种产物，如H2、H2O2、H3O+和HO2等。纳米气泡的生成就是一个常见的现象。2014年，Shin等人21首次利用石墨烯液体池观察溶液中纳米气泡的动力学行为，包括气泡的稳定、消失以及相互之间合并和Oswald熟化等过程；Park等人22进一步发现气泡间由于气体传输通量各向异性导致气泡合并前发生形状扭曲。Wang等人23则通过在扫描透射电镜下调控电子束剂量率和扫描区域，实现了溶液中氢纳米气泡在时空分布上的精确控制。

由于石墨烯液体池技术较新，且制备难度相对较高24，目前，相关报道的文章数量较少，很多科学问题仍有待深入地研究。本文采用新兴的原位石墨烯液体池电镜，研究受限于石墨烯双层之间的液体水滴，通过对电子束的调控，实现纳米气泡的产生和不同的生长行为，同时观察到气氛中纳米液滴的凝结并重复长大/消失的过程。这些新发现的现象，不同于前人报道或宏观理解，拓宽了人们对纳米限域环境下液体性质的认识，研究结果对深入理解电子束与水的相互作用及纳米限域环境下水/气界面相互转变具有较高的参考价值。

2 实验部分

2.1 GLC样品制备

实验中采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法制备的高质量的单层石墨烯样品25并转移至电镜微栅26上。石墨烯液体池样品的制备过程如图 1所示：首先将石墨烯/铜箔反扣在电镜微栅(Quantifoil R1.2/1.3，300 Mesh，Au holey carbon TEM grids，SPI)上，石墨烯面与微栅正面接触，用滴管滴加几滴异丙醇，80 °C下加热 30 min，以保证石墨烯与微栅紧密结合。待干燥后将微栅/石墨烯/铜箔置于 Na2S2O8溶液(40 mg·mL-1，AR，上海(沪)试剂厂)中刻蚀铜箔，待刻蚀完毕后将石墨烯/微栅转移至去离子水中漂洗 3次，捞起干燥，即制得石墨烯微栅。同理，再将另一片石墨烯/铜箔直接置于 Na2S2O8溶液中刻蚀铜箔并清洗三次，获得自由漂浮的石墨烯。用石墨烯微栅将自由漂浮的石墨烯捞起，静置干燥10 min。水分干燥过程中，上下两层石墨烯之间通过范德华力结合在一起，从而将几十至数百纳米大小的液滴束缚在石墨烯夹层中间，获得石墨烯液体池微珊样品，如图1右下方所示。

图1 石墨烯液体池制备原理图Fig. 1 Schematic of the fabrication process of graphene liquid cell.

2.2 电镜表征

采用透射电子显微镜(Tecnai G2F20 S-TWIN，美国FEI公司)进行原位液体实验，TEM模式，曝光时间为0.2 s。实验中为了控制液体在电子束辐照下的不同行为，采用三种不同电子剂量率辐照的模式：电子剂量率 DH为 1250 e-·Å-2·s-1(1 Å =0.1 nm)，对应TEM放大倍数为195k的High Dose Rate 模式；电子剂量率 DM为 62.7 e-·Å-2·s-1，倍数43 k的Middle Dose Rate模式以及电子剂量率DL为 1.73 e-·Å-2·s-1，7000 倍下的 Low Dose Rate模式。纳米气泡生长的实验中，首先在High Dose Rate模式下辐照数秒，然后切换并维持在Low Dose Rate模式下，开始实验图像和视频的采集；而在纳米液滴凝结的实验中，始终保持在 Middle Dose Rate模式观察。

全程采用Bandicam软件录制视频。图像处理和分析使用Digital Micrograph软件(Gatan公司)。

3 结果与讨论

3.1 纳米气泡的形核生长

实验中电子束同时作为辐射源和成像照明的光源。入射的高能电子束使水发生辐解反应20，产生以下初期主要产物27–31：

这些初期产物相互间发生进一步的反应，生成额外的物质如O2：

电子束辐照区域涵盖整个石墨烯液体池，保持电子剂量率恒定，限域空间内液体中各种辐解产物的浓度不会一直增加，而是会在很短的时间(＜ 1 ms)内达到动态平衡9,20。在一定的电子剂量率范围内，辐解产物的稳态浓度随电子剂量率呈亚线性增加20。由于辐解的气体产物中H2的浓度最高，在水中的溶解度又低，所以实验中观察到的纳米气泡主要成分为 H223,32。由于石墨烯具有超高的热导率，所以电子束的加热效应对实验的影响忽略不计。

图2a为石墨烯液体池中原位诱导生成多个纳米气泡的透射电镜照片序列(Supporting Information，Movie 1)。在6.5 s时液体中出现第一个纳米气泡 1 (Nanobubble-1，NB-1)，在 10.5和18.5 s时气泡1的上方和下方分别又析出第二、三个气泡NB-2和NB-3。根据前期文献报道的模拟和实验结果23,32，水中H2的饱和浓度所对应的临界电子剂量率 Dth约为 6–9 e-·Å-2·s-1，理论上低于Dth不会观察到H2气泡的生成。实验中先在High Dose Rate模式下辐照数秒，再切换至 Low Dose Rate模式下开始TEM图片序列的拍摄。High Dose Rate模式下 DH= 1250 e-·Å-2·s-1，远远大于 Dth，水辐解产生远远超出H2的溶解度的大量H2分子。在随后的 Low Dose Rate模式下，这些过饱和的H2分子以纳米气泡的形式从溶液中依次析出并长大。而此时 DL= 1.73 e-·Å-2·s-1，低于 Dth，对应的稳态H2浓度不足以析出气泡，所以实验中观察到的气泡中的H2分子都是在High Dose Rate模式下产生的。

图2 电子束诱导纳米气泡的产生和长大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.

每个气泡生成后均伴有尺寸上的长大，图2b分析了每个气泡的投影面积 A2D随时间 t增加的关系，散点为各纳米气泡对应的实验数值，实线分别为相应的线性拟合曲线。由图可知，气泡的生长近似满足 A2D随 t线性增加，即半径 r–t1/2。根据LSW理论，气泡的生长过程主要受界面反应控制，而非扩散控制33。我们进一步分析了不同阶段气泡尺寸增长的情况，图2c为气泡1和2的半径r随时间t变化的log坐标图，散点为实验数值，实线为不同时间段内数据的线性拟合。气泡的半径r根据 r = π·A2D1/2求得。因 r–tβ，此时斜率即为 β。当t ＜ 10.5 s时，此时液体中只有气泡1一个气泡形成长大，β1= 0.55，近似满足界面反应控制的生长模式。而当10.5 s ＜ t ＜ 18.5 s时，这一阶段除了原有的气泡1，又析出了气泡2，此时β1= 0.18，β2= 0.44。明显看出，气泡1的生长受到了抑制，新出现的气泡2优先生长。当t ＞ 18.5 s时，这一阶段三个气泡同时生长，由于气泡 3的出现，气泡1和2的生长均受到抑制，几乎停止生长，β1=0.02，β2= 0.16。由此分析可知，气泡的生长受相邻气泡的影响，新析出的气泡会抑制既有气泡的长大行为。同时，可以看到，实验中并未发生气泡之间的相互合并或者Oswald熟化，即大气泡吞并小气泡的现象，反而是后析出的尺寸较小的纳米气泡正常生长，先形成大的气泡的生长受到抑制。类比纳米晶的生长过程，若初期还原出的单体浓度高于溶液中所有存在的纳米晶的溶解度，则此时纳米晶的尺寸分布变窄，即生长趋于均一的尺寸34。在我们的实验中，几乎所有气泡中的气体分子都来自最初High Dose Rate模式作用的阶段，切换至 Low Dose Rate模式时气体的过饱和度相当高，因此同样也出现了气泡尺寸分布趋向均一现象。

由纳米气泡的尺寸可以估算气泡内的压强和H2分子致密度。根据杨-拉普拉斯方程：ΔP = P -P0= 2γ/r，可以求得纳米气泡界面内外压差ΔP，式中γ = 72.8 mN·m-1，r为气泡半径。考虑到石墨烯液体池在电镜腔体内的真空环境下有所膨胀23，P0= 0.8 atm (1 atm = 101 kPa)。由此可求得不同时刻各纳米气泡内部压力P。如当t = 28 s时，此时r1= 50.8 nm，r2= 49.5 nm，r3= 31.4 nm，对应的压强分别为P1= 29.07 atm， P2= 29.85 atm，P3=46.5 atm，由此可见纳米气泡内部压力相当高，且尺寸越小压力越大。如此高的压力情况下需要考虑气体分子之间相互作用，根据范德瓦尔斯状态方程35：

其中，a、b均为常数，对于 H2，a = 0.242 atm·L-2·mol-2，b = 2.65 × 10-2L·mol-1。V 为纳米气泡的体积，n为气体摩尔数，R为理想气体常数，T为温度。由气泡尺寸可以解得唯一的实根n/V，即气泡内的分子摩尔浓度。纳米气泡内的分子数密度nv= n·NA/V，NA为阿伏加德罗常数，相同状况(0.8 atm，300 K)下理想气体的数密度 nv0= 3.25 ×·10-2mol·L-1。图 3a为各纳米气泡内的分子数密度比nv/nv0随着时间 t和纳米气泡尺寸 r的关系。由图可见，对于尺寸在20–50 nm范围内的纳米气泡，其内部气体分子浓度比相同状况的理想气体要高出 35–90倍，此时纳米气泡内的气体处于致密的压缩状态，呈致密的气相36；随着时间增大，气泡尺寸增大，nv/nv0有所降低。

根据气泡尺寸求得其体积，进而可对气泡内的分子数进行估算(N = nv·V)。图3b所示为各纳米气泡内的 H2气体分子数以及总分子数 Ntotal随时间t的变化，黑色实线为Ntotal对t的指数拟合，呈Ntotal–t1.16。气泡中Ntotal近似随t线性增加，即溶液中的过饱和H2分子数随t均匀地被消耗。每个纳米气泡随时间长大，内部分子数也随之增多，对于半径为50 nm的纳米气泡，其内部约有3.7 ×105个H2分子，约为半径25 nm的气泡内的4倍，而其分子数密度只有后者的约 1/2。气泡尺寸减小，内部气体分子数虽然减少，但分子致密度增高，内部压强增大，理论上纳米气泡由于较大的Laplace压力难以稳定存在于溶液中。实验中原位观察到纳米气泡的形成长大，可能是由于水中的杂质降低了表面张力的原因。利用原位石墨烯液体池电镜与其他技术手段连用，我们将会对纳米尺度下液体和气泡的生长动力学有更加深入的认识。

图3 纳米气泡内部分子数密度比和分子数的估算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 纳米水滴的凝结

如果在实验中持续以恒定的电子剂量率(DM=62.7 e-·Å-2·s-1)辐照，水中产生一个大的气泡后，在气泡中又发现纳米水滴的凝结，并循环地长大/消失，如图4a所示。纳米液滴在图像右侧的卷曲石墨烯内壁上形核，长大到一定尺寸后又与外侧的液体(图中白色箭头所示)合并(t = 3 s)后消失，水汽又开始在原位置再次凝结成纳米液滴并重复该过程(Supporting Information，Movie 2)。实验中还发现多个位置同时形核，除了中间的液滴1外，8.5 s时在液滴1右上方出现了另一个液滴2；17 s时在液滴1左下方还出现了液滴3。液滴近似呈球冠状，通过测量其投影扇形的最大高度 h以及弦长L，如图4b所示，根据几何关系37可得纳米液滴的体积V = π·h(3L2+ 4h2)/24，图4c为石墨烯内壁上不同位置先后出现的三个纳米液滴的体积以及总体积Vtotal随时间t的变化关系。小液滴2和3出现时间较短，体积也较小，长大到一定尺寸后与液滴1发生合并(t = 9.5 s)，使总的液滴体积增加。

纳米液滴1在整个过程中接触角θ变化可以通过tanθ = 4L·h/(L2- h2)求得，图4d为其统计分布图。分析可知液滴接触角均小于90°，均值约为57.5°，表明卷曲的石墨烯内壁是亲水性的。尽管缺少理论上的解释，但已有相当数量的实验38–40报道碳纳米管填充水内部呈亲水性，这里同样证明弯曲的石墨烯内壁与碳纳米管内部类似，呈现出亲水性的特征。从TEM照片中可以发现液滴其实并非完全对称的，液滴左侧和右侧的接触角并不相等，而是围绕公式计算的 θ值上下波动。我们认为这是由于在液滴长大过程中还发生了位置的移动，朝向运动的一侧受力的作用，在发生滑动前该侧接触角逐渐变大，另一侧则减小，从而导致接触角滞后效应。这些实验细节的进一步揭示将得益于原位石墨烯液体池电镜的运用，更多现象背后的机理将被深入地研究。

图4 纳米水滴的凝结及长大/消失过程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 结论

本文利用最新的石墨烯液体池技术，在透射电镜下原位观察水在电子束作用下的辐解/凝结行为。通过短时间高剂量率的电子束作用辐解水，再回到低电子剂量率阈值下，过饱和浓度的气体分子会以纳米气泡的形式有序析出。纳米气泡的生长受界面反应限制，且新析出的气泡会抑制既有气泡的长大。气泡内气体处于致密的压缩态，体系内总的分子数随时间近似线性增加。而在适中的电子剂量率持续作用下，石墨烯壁上不断有纳米水滴凝结，长到一定尺寸后和周围液体汇合，原形核位点重新形成纳米液滴。通过接触角的测算发现卷曲的石墨烯内壁呈亲水性。

实验表明原位石墨烯液体池电镜在研究液相反应方面具有广阔的应用前景，结果对纳米限域环境下气/液界面转变的研究也具有指导意义。同时可以看到电子束对原位液体电镜实验过程有重要的影响，准确理解电子束和水的相互作用对于辐照效应的分析、解释、削弱或利用都是十分必要的。

致谢：北京大学张艳峰研究员及其博士生张哲朋，浙江大学赵沛副教授及其研究生徐晨为实验提供高质量单层石墨烯样品。浙江大学电镜中心提供原位实验电镜机时。

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