让微观变得直观——岛津原子力显微镜

2021.11.19

　　对极限微观的不断探索源于人们原始的求知欲。国际度量衡制度的确立为我们指引了探索的方向。从米到毫米，从毫米到微米，从微米到纳米。当物质被我们不断地“劈碎”。越来越多新性质，新现象，新功能被发现。人们对自然的认识越来越深刻，对物质的操纵也越来越得心应手。

　　从二十世纪末开始，人类对微观的探索延伸到了纳米领域。在这个从仅比原子高一个层级的尺度范围内，物质展现了一种和宏观截然不同的状态和性质。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应带来的是超高强度、超高导电性、超流动性、超高催化活性等等无与伦比的属性。

　　碳纳米管作为第一种人工合成的纳米材料，甫一问世，其超高强度就惊艳世人。它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍。

单壁碳纳米管高度（直径）测量

　　在碳纳米管被研制出来以后，双壁碳纳米管、掺杂碳纳米管、复合碳纳米管等多种材料被源源不断制作出来。极小的尺度和样品多样性，迫切需要一种合适的检测工具。

　　在纳米尺度下，光学显微镜的分辨率早已鞭长莫及，电子显微镜则因为严格复杂的制样过程使测试门槛令人高不可攀，激光粒度仪对长径比过大的样品测试误差极大也不适合。这时，较合适的观测工具就是原子力显微镜。

　　原子力显微镜作为专门的纳米材料表征工具，天然具有高分辨率、高环境兼容性、多属性分析种种优势。

原子力显微镜观察的不同碳纳米管形态

　　在生产中，因工艺不同，会产生长短粗细不同的碳纤维。如何有效对这些样品进行归类分析是个大问题。

不同工艺下碳纳米管分散状态

　　借助岛津原子力显微镜配备的颗粒分析软件，则可以自动分析筛选，并对纤维的各种尺度进行统计分析。

极长和极短碳纳米管的自动分类统计

　　同样，对于常见到的纳米材料——纳米颗粒而言，也可以依靠该软件进行统计分析。

纳米颗粒的粒径统计

　　而且，利用原子力显微镜，还可以有效观察同样粒径下颗粒的不同形貌。例如以下两个颗粒，粒径均在100nm左右，如果用激光粒度仪测试，会被归为一类。但是用原子力显微观察，则可以发现很大的不同。

粒径近似的纳米颗粒聚集形态

　　左侧的颗粒是单个粒子，二右侧的则是多个颗粒聚集形成的，在原子力显微镜的小范围观察图像中可以清晰分辨二者的不同。

　　但是，通常的原子力显微镜很难兼顾大视野和高分辨。要想同时观察统计大量颗粒，就需要用大范围观察，这样一来每个颗粒的细节分辨就难以看清。如果聚焦到一个颗粒上细致观察，则无法从整体上评估样品。

　　解决的办法就是提高原子力显微镜图像的分辨率。岛津推出了8192*8192点阵的高扫描能力。可以在大范围观察的同时又看清每一个小细节。

兼顾大视野和小细节的超大点阵扫描图像

　　原子力显微镜作为人类眼睛的延伸，像一个精细的触手，细致地捕获纳米材料的形貌、机械性能、电磁学性能等等属性，使这个微乎其微的领域直观地展现在我们眼前，为我们更深更广地认识纳米材料提供了有力帮助。