Các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Hàn Quốc lần đầu tiên vừa ghi ảnh được quá trình tăng trưởng vi tinh thể ở thang bậc nguyên tử. Kĩ thuật của họ, đặt các tinh thể bên trong một tế bào chất lỏng liên kết bằng những tấm graphene và ghi ảnh chúng với kính hiển vi điện tử truyền qua, cho thấy những giai đoạn tăng trường mới và bất ngờ khi chúng diễn ra. Phương pháp có thể sử dụng để nghiên cứu nhiều loại chất liệu nano trong dung dịch, thậm chí cả những mẫu sinh học trong môi trường lỏng tự nhiên của chúng.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), được sử dụng lần đầu tiên hồi thập niên 1930, tạo ảnh với độ phân giải cao hơn đáng kể so với kính hiển vi quang học vì nó sử dụng các chùm electron thay cho ánh sáng. Tuy nhiên, rất khó tạo ảnh các chất lỏng với TEM vì chúng cần được đóng gói trong một chất rắn (thường là silicon nitride hoặc silicon oxide) để ngăn chúng bay hơi, vì kính hiển vi hoạt động dưới điều kiện chân không. Những viên nang như vậy, hay những tế bào chất lỏng như người ta thường gọi, có thể có những cái màng dày tới 100 nm. Cái màng này quá dày để chùm electron xâm nhập thành công nên các vật chỉ có thể được ghi ảnh với độ phân giải không gian tốt nhất là vài nano mét.
Ảnh minh họa viên nang chất lỏng graphene.
Nay Jungwon Park tại trường Đại học California, Berkeley, cùng các đồng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và KAIST ở Hàn Quốc vừa chứng minh rằng các viên nang chế tạo bằng graphene có thể dùng làm “cửa sổ” xuyên thấu cho các tế bào chất lỏng. Thành mỏng dưới nano mét của viên nang về cơ bản là trong suốt vì graphene là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Do đó, graphene không làm tán xạ chùm electron, thay vậy nó cho chùm electtron đi qua. Graphene còn rất bền và không thấm nước, cũng không có hoạt tính hóa học, nên nó giúp bảo vệ mẫu chất trong tế bào chất lỏng trước các electron năng lượng cao trong chùm tia hiển vi.
Các nhà nghiên cứu chứa đầy viên nang graphene với một dung dịch chứa các vi tinh thể platinum và nghiên cứu viên nang đó bằng một dạng TEM đã hiệu chỉnh quang sai. Park giải thích rằng nhóm của ông có thể nhìn thấy sự kết mầm và tăng trưởng của hạt trên thang angstrom phân giải rất cao (0,1 nm). Ông cho biết đội của ông còn quan sát thấy những giai đoạn mới và bất ngờ của sự tăng trưởng vi tinh thể khi chúng xảy ra, nhất là cách những vi tinh thể nhất định thường kết hợp lại dọc theo trục tinh thể, thay đổi hình dạng của chúng và tạo ra các mặt trên bề mặt của chúng.
Park tin rằng các thí nghiệm hiển vi điện tử sử dụng tế bào chất lỏng graphene có thể dùng để ghi ảnh của nhiều loại chất liệu nano đa dạng, ví dụ như các hạt nano, các cấu trúc nano và cả những mẫu sinh vật trong chất lỏng. Nhưng bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ là sử dụng các tế bào chất lỏng graphene của mình để nghiên cứu những vi tinh thể khác ngoài platinum ra lớn lên như thế nào. “Việc quan sát trực tiếp các phản ứng hóa học trong chất lỏng là giấc mơ của các nhà hóa học và nhà vật lí, và chúng tôi hiện nuôi hi vọng nghiên cứu nhiều chủng loại hạt nano lớn lên trong dung dịch sử dụng kĩ thuật hiển vi điện tử pha lỏng của chúng tôi,” Park nói.