納米材料的可視化和成像對(duì)于表征和獲取有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息至關(guān)重要。光學(xué)顯微鏡提供了觀察、可視化和捕獲納米顆粒圖像的機(jī)會(huì)，這有助于推進(jìn)納米技術(shù)的發(fā)展。

這篇文章主要探討光學(xué)顯微鏡在分析、可視化和納米材料成像方面的應(yīng)用，以及其局限性，并介紹了光學(xué)顯微鏡在納米材料研究中的Z新進(jìn)展。

什么是光學(xué)顯微鏡？

光學(xué)顯微鏡是一種使用不同透鏡和可見(jiàn)光來(lái)放大小樣本的顯微鏡。光學(xué)顯微鏡是Z古老的顯微鏡。

Z基本的光學(xué)顯微鏡可能非常簡(jiǎn)單。然而，許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)旨在提高分辨率和樣品對(duì)比度。從歷史上來(lái)看，這些顯微鏡很容易制造。它們今天仍然很受歡迎，因?yàn)樗鼈兝每梢?jiàn)光并允許肉眼查看材料。

光學(xué)顯微鏡如何用于可視化和成像？

光學(xué)可視化是獲取材料形態(tài)信息的一種非常有效的方法。借助光學(xué)可視化技術(shù)可以采集真實(shí)的彩色實(shí)時(shí)圖像，這有利于觀察動(dòng)態(tài)過(guò)程。與掃描探針顯微鏡和電子顯微鏡相比，光學(xué)顯微鏡的可視化操作條件溫和、簡(jiǎn)單、成本低。

為了制作顯微照片，通過(guò)光學(xué)顯微鏡看到的圖像可以由常規(guī)光敏相機(jī)拍攝。在光學(xué)顯微鏡中，傳統(tǒng)的照相膠片用于成像。然而，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體和電荷耦合器件（CCD）相機(jī)的技術(shù)發(fā)展使數(shù)字成像成為可能。

全數(shù)字光學(xué)顯微鏡和CCD相機(jī)現(xiàn)已上市。這些數(shù)字光學(xué)顯微鏡繞過(guò)了傳統(tǒng)的目鏡，現(xiàn)在可以在計(jì)算機(jī)屏幕上直接看到圖像。

光學(xué)顯微鏡如何用于納米材料分析？

對(duì)于納米材料的表征，在環(huán)境條件下直接觀察納米顆粒的能力非常重要。通常，為了觀察單個(gè)納米顆粒，需要在高真空下使用高分辨率的電子顯微鏡。

光學(xué)顯微鏡因其開(kāi)放的空間和方便的操作而被用于納米材料的表征和分析。然而，光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡在分辨率上有顯著差異。因此，需要有效的成像和可視化來(lái)控制操作、精確定位和直接觀察納米顆粒。

光學(xué)顯微鏡用于分析納米材料的實(shí)例

在過(guò)去幾年中，通過(guò)光學(xué)顯微鏡分析納米材料的各種不同方法被提出。例如，研究人員通過(guò)沉積可見(jiàn)的“標(biāo)簽”或利用某些光學(xué)現(xiàn)象，在光學(xué)可視化各種納米材料（如納米纖維、石墨烯和碳納米管）方面取得了重大進(jìn)展。

這些努力為進(jìn)一步研究這些納米材料的特性和應(yīng)用鋪平了道路。此外，光學(xué)顯微鏡使科學(xué)家能夠通過(guò)設(shè)計(jì)和修改設(shè)置直接調(diào)控納米材料。這不僅擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，而且對(duì)納米級(jí)動(dòng)態(tài)過(guò)程有了更好的理解。

不同類型的光學(xué)顯微鏡用于表征和分析納米材料。例如，光熱光學(xué)顯微鏡、拉曼顯微鏡、表面等離子體共振顯微鏡、暗場(chǎng)顯微鏡和熒光顯微鏡被用于納米催化、納米電化學(xué)和納米傳感，以獲得關(guān)于不同納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。

光學(xué)顯微鏡的局限性

光學(xué)顯微鏡的局限性之一是分辨率低，以及光學(xué)顯微鏡的巨大光束尺寸。這種限制是不利的，尤其是對(duì)于成像納米材料，因?yàn)樵S多納米粒子、納米管或納米結(jié)構(gòu)的尺寸遠(yuǎn)小于 200 nm 的光學(xué)分辨率限制。

例如，碳納米管（CNT）的可視化不可能通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?/span>CNT的直徑通常比照明光束的尺寸小得多。因此，需要精心設(shè)計(jì)有效的成像和可視化策略，以實(shí)現(xiàn)其直接觀察、后續(xù)利用、性能表征、可控操作和精確定位。

Z近的研究進(jìn)展

2020年發(fā)表的一項(xiàng)研究討論了散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）。這項(xiàng)研究表明，這種光學(xué)顯微鏡能夠定量地映射納米材料的復(fù)介電常數(shù)以及其固有的光學(xué)特性如折射率。

該團(tuán)隊(duì)將這種能力應(yīng)用于處理三種不同納米結(jié)構(gòu)材料的實(shí)驗(yàn)中，包括等離子陶瓷納米顆粒、具有可控顏色特性的光學(xué)納米涂層和具有藥物輸送特性的微膠囊。這些實(shí)驗(yàn)幫助科學(xué)家展示了s-SNOM的復(fù)介電常數(shù)映射如何提供其他技術(shù)無(wú)法評(píng)估的獨(dú)特信息，從而有助于理解這些材料。

2021發(fā)表的另一項(xiàng)研究討論了光學(xué)顯微鏡在納米材料研究中相對(duì)于SEM和TEM等電子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)研究認(rèn)為，由于納米材料的尺寸很小，快速識(shí)別、定位和操縱納米材料是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為了使用電子顯微鏡獲得有關(guān)形態(tài)和其他特性的某些信息，樣品需要處于真空狀態(tài)，這會(huì)帶來(lái)若干缺點(diǎn)，例如難以執(zhí)行多個(gè)操作以及樣品在電子顯微鏡預(yù)處理后受損。