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        為什么掃描電鏡(SEM)是表征納米顆粒的實用技術

         更新時間:2019-04-25 點擊量:4400

        微觀顆粒在各個領域中的應用飛速增長,而這些微觀顆粒的使用關鍵在于控制其性能參數。這篇文章將解釋為什么需要地對顆粒進行監測和表征,以及掃描電鏡如何在這個過程中扮演重要角色,主要得益于其多功能性和的空間分辨率。

         

        “顆粒” 指在一定尺寸范圍內具有特定形狀的幾何體,這里所說的尺寸一般在毫米到納米之間。實際上顆粒可以從亞原子尺寸(大小為10-15米),到微觀范圍的原子(0.3Å)和分子(nm-μm),再到宏觀尺寸,包括塵埃粒子 ,塵土,皮膚(mm-cm)等。因此,對“顆粒”定義是相當困難的,通常可理解為顆粒在尺寸和形狀方面變化很大。

         

        微觀顆粒:它們為什么如此有趣?

         

        微觀顆粒 —— 這類顆粒非常有趣,因為它們被廣泛應用于陶瓷、食品工業、電子、聚合物和塑料、化妝品和制藥等領域。經證明,這些顆粒的大小和形狀會影響材料的性能。

         

        一般而言,大多數材料都與尺寸相關。相同材料在納米尺寸上的物理性質不同于宏觀尺度上的物理性質。造成這種現象的有幾個因素:首先,當材料到達納米尺寸,經典力學不再能夠描述這些過程,需要用到量子力學來描述。此外,材料的尺寸越小,比表面積增大,可能會影響材料的某些性能(圖1)。

         

        圖1:由顆粒組成的材料的比表面積增加

         

        性質改變的納米材料

         

        與其塊體材料相比,納米材料發生性質改變的例子很多。例如,黃金的光學性質在宏觀尺度和納米尺度上是截然不同的。*,黃金是黃色的,但是對于黃金納米顆粒來說卻不是同,它們的顏色可以從紫色到紅色不等,這取決于它們的尺寸大小(圖2)。此外,用于制作防曬霜的氧化鋅(ZnO)納米顆粒相比于防曬霜中的其他塊體材料,不會散射可見光。

         

        圖2:隨著金顆粒尺寸的減小,黃金的光學性質發生變化。

         

        納米材料改變的不僅是光學性質,電學性質在納米尺寸上也可能不同,一些導體材料可以變成半導體,反之亦然。因此,顆粒的尺寸作為一個重要因素,可以影響它們在許多不同應用中的性質。

         

        例如,它可能會影響醫療應用上的傳輸效率,催化過程中的反應活性和溶解速率,以及陶瓷樣品的孔隙率等。這類納米顆粒由于其較高的比表面積,從而能吸收和攜帶多種化合物,因此在醫學上用于藥物輸送是非常有吸引力。

         

        除了尺寸,顆粒的形狀也是決定性因素之一,會影響材料的性質,從而影響終產品的性能。與尺寸類似,形狀可以改變食物的質感,以及醫療藥劑的流動性和反應活性等。此外,顆粒的其它特性,如凹凸性和圓度也很重要,因為它們也會影響其性質。

         

        獲取顆粒圖像

         

        很明顯,顆粒由于其性質可變及巨大的應用潛力,已經吸引了許多來自世界各地不同領域研究者們的關注。原則上,材料的性能可以通過控制尺寸和形狀來調整。為了達到這一目的,人們使用了許多表征技術來獲得顆粒形狀和尺寸分布。

         

        通常,輸出關于顆粒特性的結果是具有挑戰性的,不僅要涉及統計性,還要涉及準確性。為了達到這個目的,飛納電鏡的顆粒統計分析測量系統(圖3)可以促進這個過程。它結合了高分辨率電子成像與自動分析,對所獲取的顆粒圖片自動統計、分析并輸出測試報告,從這份測試報告中不僅可以獲取顆粒的尺寸和形狀,還可以得到顆粒的凹凸度、圓度、表面積和體積等許多其他特性。

         

        圖3:對采集到的 SEM 圖像進行處理,自動對顆粒進行識別,后給出的分析結果包含顆粒的尺寸、形狀分布及其他重要特征參數。

         

        納米粒子發生器

         

        VSP-G1 是荷蘭 VSParticle 公司制造的全自動納米顆粒制備系統。這個系統能夠非常地為研究學者們制備理想中的納米顆粒。VSP-G1 系統可以為納米研究創造許多新的方向。一分鐘選擇材料,五分鐘產出納米顆粒;65 種元素覆蓋,自由選擇搭配。

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