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为什么扫描电镜(SEM)是表征纳米颗粒的实用技术

 发布时间:2019-04-25 点击量:141

微观颗粒在各个领域中的应用飞速增长,而这些微观颗粒的使用关键在于精确控制其性能参数。这篇文章将解释为什么需要精确地对颗粒进行监测和表征,以及扫描电镜如何在这个过程中扮演重要角色,主要得益于其多功能性和卓越的空间分辨率。

 

“颗粒” 指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体,这里所说的尺寸一般在毫米到纳米之间。实际上颗粒可以从亚原子尺寸(大小为10-15米),到微观范围的原子(0.3Å)和分子(nm-μm),再到宏观尺寸,包括尘埃粒子 ,尘土,皮肤(mm-cm)等。因此,对“颗粒”精确定义是相当困难的,通常可理解为颗粒在尺寸和形状方面变化很大。

 

微观颗粒:它们为什么如此有趣?

 

微观颗粒 —— 这类颗粒非常有趣,因为它们被广泛应用于陶瓷、食品工业、电子、聚合物和塑料、化妆品和制药等领域。经证明,这些颗粒的大小和形状会影响材料的性能。

 

一般而言,大多数材料都与尺寸相关。相同材料在纳米尺寸上的物理性质不同于宏观尺度上的物理性质。造成这种现象的有几个因素:首先,当材料到达纳米尺寸,经典力学不再能够描述这些过程,需要用到量子力学来描述。此外,材料的尺寸越小,比表面积增大,可能会影响材料的某些性能(图1)。

 

图1:由颗粒组成的材料的比表面积增加

 

性质改变的纳米材料

 

与其块体材料相比,纳米材料发生性质改变的例子很多。例如,黄金的光学性质在宏观尺度和纳米尺度上是截然不同的。众所周知,黄金是黄色的,但是对于黄金纳米颗粒来说却不是同,它们的颜色可以从紫色到红色不等,这取决于它们的尺寸大小(图2)。此外,用于制作防晒霜的氧化锌(ZnO)纳米颗粒相比于防晒霜中的其他块体材料,不会散射可见光。

 

图2:随着金颗粒尺寸的减小,黄金的光学性质发生变化。

 

纳米材料改变的不仅是光学性质,电学性质在纳米尺寸上也可能不同,一些导体材料可以变成半导体,反之亦然。因此,颗粒的尺寸作为一个重要因素,可以影响它们在许多不同应用中的性质。

 

例如,它可能会影响医疗应用上的传输效率,催化过程中的反应活性和溶解速率,以及陶瓷样品的孔隙率等。这类纳米颗粒由于其较高的比表面积,从而能吸收和携带多种化合物,因此在医学上用于药物输送是非常有吸引力。

 

除了尺寸,颗粒的形状也是决定性因素之一,会影响材料的性质,从而影响最终产品的性能。与尺寸类似,形状可以改变食物的质感,以及医疗药剂的流动性和反应活性等。此外,颗粒的其它特性,如凹凸性和圆度也很重要,因为它们也会影响其性质。

 

获取颗粒图像

 

很明显,颗粒由于其性质可变及巨大的应用潜力,已经吸引了许多来自世界各地不同领域研究者们的关注。原则上,材料的性能可以通过控制尺寸和形状来精确调整。为了达到这一目的,人们使用了许多表征技术来获得颗粒形状和尺寸分布。

 

通常,输出关于颗粒特性的结果是具有挑战性的,不仅要涉及统计性,还要涉及准确性。为了达到这个目的,飞纳电镜的颗粒统计分析测量系统(图3)可以促进这个过程。它结合了高分辨率电子成像与自动分析,对所获取的颗粒图片自动统计、分析并输出测试报告,从这份测试报告中不仅可以获取颗粒的尺寸和形状,还可以得到颗粒的凹凸度、圆度、表面积和体积等许多其他特性。

 

图3:对采集到的 SEM 图像进行处理,自动对颗粒进行识别,最后给出的分析结果包含颗粒的尺寸、形状分布及其他重要特征参数。

 

纳米粒子发生器

 

VSP-G1 是荷兰 VSParticle 公司制造的全自动纳米颗粒制备系统。这个系统能够非常高效地为研究学者们制备理想中的纳米颗粒。VSP-G1 系统可以为纳米研究创造许多新的方向。一分钟选择材料,五分钟产出纳米颗粒;65 种元素覆盖,自由选择搭配。

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