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(lái)觀察傳統(tǒng)電鏡無(wú)能為力的體系，如生物分子。2017年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C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(cè)與成像。與傳統(tǒng)電鏡采用電荷耦合檢測(cè)器（CCD）不同，冷凍電鏡使用直接電子檢測(cè)器（DED），有更好的檢測(cè)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(duì)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(duì)那些脆弱的體系，如電子束敏感的高能電池材料仍然無(wú)能為力。
2017年，斯坦福大學(xué)的崔屹教授成了第一個(gè)“吃螃蟹”的人，他們率先使用冷凍電鏡對(duì)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(gè)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(lái)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(yáng)能電池、電催化劑、量子材料這六大領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，解決了這些領(lǐng)域中眾多長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)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(guò)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(huì)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(guò)程中會(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(guò)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(shí)直接電化學(xué)沉積在Cu上，鋰和銅之間較大的晶格失配會(huì)導(dǎo)致大的機(jī)械應(yīng)力，從而影響鋰金屬的成核和生長(zhǎng)，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(guò)程中界面的變化規(guī)律。在電池循環(huán)過(guò)程中會(huì)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(guò)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(wú)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(duì)大多數(shù)聚合物材料來(lái)說(shuō)，直接進(jìn)行傳統(tǒng)電鏡表征難免會(huì)受到電子束的破壞，采用冷凍電鏡技術(shù)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
Weber等人利用這一技術(shù)對(duì)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(guò)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(zhǎng)聚合物鏈連接，會(huì)降低不同晶體之間電荷傳輸?shù)哪軌荆美鋬鲭婄R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(wú)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(lái)判斷添加無(wú)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(wú)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(hào)強(qiáng)烈，則可以支持路易斯酸假說(shuō)。
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(yáng)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(yáng)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(guò)程中的核心問(wèn)題，但是研究者在原子尺度上對(duì)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(gè)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(guò)程中MOF結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)控制氣體含量和吸附時(shí)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(gè)吸附動(dòng)力學(xué)。通過(guò)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(duì)氣體存儲(chǔ)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(duì)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(lái)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(dòng)力學(xué)。
冷凍電鏡六大應(yīng)用領(lǐng)域之四——鈣鈦礦太陽(yáng)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(shuō)明傳統(tǒng)電鏡技術(shù)在表征鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料時(shí)存在問(wèn)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(huì)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(huì)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(shuō)。
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(yáng)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(jiǎn)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(guò)快速凍結(jié)并捕獲催化劑的中間狀態(tài)，研究了催化劑動(dòng)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(duì)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(guò)在反應(yīng)過(guò)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(shí)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(chǎng)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(dòng)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(huì)表現(xiàn)出來(lái)。正是由于這個(gè)原因，自上世紀(jì)60年代以來(lái)，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(shí)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(shí)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(jí)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(guò)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(lái)研究量子材料中納米級(jí)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(lái)冷凍電鏡在電池、聚合物、金屬有機(jī)骨架、鈣鈦礦太陽(yáng)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(jí)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(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生豐碩的成果。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05020
