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為什么掃描電鏡(SEM)是表征納米顆粒的實用技術(shù)

 更新時間:2019-04-25 點擊量:4120

微觀顆粒在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用飛速增長,而這些微觀顆粒的使用關(guān)鍵在于控制其性能參數(shù)。這篇文章將解釋為什么需要地對顆粒進行監(jiān)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(nèi)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??梢詮膩喸映叽纾ù笮?0-15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(dāng)困難的,通??衫斫鉃轭w粒在尺寸和形狀方面變化很大。

 

微觀顆粒:它們?yōu)槭裁慈绱擞腥?

 

微觀顆粒 —— 這類顆粒非常有趣,因為它們被廣泛應(yīng)用于陶瓷、食品工業(yè)、電子、聚合物和塑料、化妝品和制藥等領(lǐng)域。經(jīng)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(shù)材料都與尺寸相關(guān)。相同材料在納米尺寸上的物理性質(zhì)不同于宏觀尺度上的物理性質(zhì)。造成這種現(xiàn)象的有幾個因素:首先,當(dāng)材料到達納米尺寸,經(jīng)典力學(xué)不再能夠描述這些過程,需要用到量子力學(xué)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(zhì)改變的納米材料

 

與其塊體材料相比,納米材料發(fā)生性質(zhì)改變的例子很多。例如,黃金的光學(xué)性質(zhì)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?。▓D2)。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(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

 

納米材料改變的不僅是光學(xué)性質(zhì),電學(xué)性質(zhì)在納米尺寸上也可能不同,一些導(dǎo)體材料可以變成半導(dǎo)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(yīng)用中的性質(zhì)。

 

例如,它可能會影響醫(yī)療應(yīng)用上的傳輸效率,催化過程中的反應(yīng)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(yī)學(xué)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(zhì),從而影響終產(chǎn)品的性能。與尺寸類似,形狀可以改變食物的質(zhì)感,以及醫(yī)療藥劑的流動性和反應(yīng)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(zhì)。

 

獲取顆粒圖像

 

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

 

通常,輸出關(guān)于顆粒特性的結(jié)果是具有挑戰(zhàn)性的,不僅要涉及統(tǒng)計性,還要涉及準(zhǔn)確性。為了達到這個目的,飛納電鏡的顆粒統(tǒng)計分析測量系統(tǒng)(圖3)可以促進這個過程。它結(jié)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(tǒng)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(jié)果包含顆粒的尺寸、形狀分布及其他重要特征參數(shù)。

 

納米粒子發(fā)生器

 

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

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