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讓微觀變得直觀——島津原子力顯微鏡

來源:島津企業(yè)管理(中國)有限公司   2021年11月18日 11:47  

對極限微觀的不斷探索源于人們原始的求知欲。國際度量衡制度的確立為我們指引了探索的方向。從米到毫米,從毫米到微米,從微米到納米。當(dāng)物質(zhì)被我們不斷地“劈碎”。越來越多新性質(zhì),新現(xiàn)象,新功能被發(fā)現(xiàn)。人們對自然的認(rèn)識越來越深刻,對物質(zhì)的操縱也越來越得心應(yīng)手。

 

  

從二十世紀(jì)末開始,人類對微觀的探索延伸到了納米領(lǐng)域。在這個從僅比原子高一個層級的尺度范圍內(nèi),物質(zhì)展現(xiàn)了一種和宏觀截然不同的狀態(tài)和性質(zhì)。表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)帶來的是超高強(qiáng)度、超高導(dǎo)電性、超流動性、超高催化活性等屬性。

 

碳納米管作為第一種人工合成的納米材料,甫一問世,其超高強(qiáng)度就驚艷世人。它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一,強(qiáng)度卻是鐵的10倍。

 

單壁碳納米管高度(直徑)測量

  

在碳納米管被研制出來以后,雙壁碳納米管、摻雜碳納米管、復(fù)合碳納米管等多種材料被源源不斷制作出來。極小的尺度和樣品多樣性,迫切需要一種合適的檢測工具。

 

在納米尺度下,光學(xué)顯微鏡的分辨率早已鞭長莫及,電子顯微鏡則因為嚴(yán)格復(fù)雜的制樣過程使測試門檻令人高不可攀,激光粒度儀對長徑比過大的樣品測試誤差極大也不適合。這時,較合適的觀測工具就是原子力顯微鏡。

 

原子力顯微鏡作為專門的納米材料表征工具,天然具有高分辨率、高環(huán)境兼容性、多屬性分析種種優(yōu)勢。

 

原子力顯微鏡觀察的不同碳納米管形態(tài)

  

在生產(chǎn)中,因工藝不同,會產(chǎn)生長短粗細(xì)不同的碳纖維。如何有效對這些樣品進(jìn)行歸類分析是個大問題。

 

不同工藝下碳納米管分散狀態(tài)

 

 

借助島津原子力顯微鏡配備的顆粒分析軟件,則可以自動分析篩選,并對纖維的各種尺度進(jìn)行統(tǒng)計分析。

 

極長和極短碳納米管的自動分類統(tǒng)計

 

 

  

同樣,對于常見到的納米材料——納米顆粒而言,也可以依靠該軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

 

納米顆粒的粒徑統(tǒng)計

  

而且,利用原子力顯微鏡,還可以有效觀察同樣粒徑下顆粒的不同形貌。例如以下兩個顆粒,粒徑均在100nm左右,如果用激光粒度儀測試,會被歸為一類。但是用原子力顯微觀察,則可以發(fā)現(xiàn)很大的不同。

 

粒徑近似的納米顆粒聚集形態(tài)

  

左側(cè)的顆粒是單個粒子,二右側(cè)的則是多個顆粒聚集形成的,在原子力顯微鏡的小范圍觀察圖像中可以清晰分辨二者的不同。

 

但是,通常的原子力顯微鏡很難兼顧大視野和高分辨。要想同時觀察統(tǒng)計大量顆粒,就需要用大范圍觀察,這樣一來每個顆粒的細(xì)節(jié)分辨就難以看清。如果聚焦到一個顆粒上細(xì)致觀察,則無法從整體上評估樣品。

 

解決的辦法就是提高原子力顯微鏡圖像的分辨率。島津推出了8192*8192點陣的高掃描能力。可以在大范圍觀察的同時又看清每一個小細(xì)節(jié)。

 

兼顧大視野和小細(xì)節(jié)的超大點陣掃描圖像

  

原子力顯微鏡作為人類眼睛的延伸,像一個精細(xì)的觸手,細(xì)致地捕獲納米材料的形貌、機(jī)械性能、電磁學(xué)性能等等屬性,使這個微乎其微的領(lǐng)域直觀地展現(xiàn)在我們眼前,為我們更深更廣地認(rèn)識納米材料提供了有力幫助。

 

 

 

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