納米材料的可視化和成像對于表征和獲取有關(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，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光來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)顯微鏡可能非常簡單。然而，許多復(fù)雜的設(shè)計旨在提高分辨率和樣品對比度。從歷史上來看，這些顯微鏡很容易制造。它們今天仍然很受歡迎，因為它們利用可見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)可以采集真實的彩色實時圖像，這有利于觀察動態(tài)過程。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、簡單、成本低。

為了制作顯微照片，通過光學(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)顯微鏡繞過了傳統(tǒng)的目鏡，現(xiàn)在可以在計算機(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例

在過去幾年中，通過光學(xué)顯微鏡分析納米材料的各種不同方法被提出。例如，研究人員通過沉積可見的“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)家能夠通過設(shè)計和修改設(shè)置直接調(diào)控納米材料。這不僅擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，而且對納米級動態(tài)過程有了更好的理解。

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，尤其是對于成像納米材料，因為許多納米粒子、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普通光學(xué)顯微鏡實現(xiàn)，因為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)計有效的成像和可視化策略，以實現(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)表的一項研究討論了散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）。這項研究表明，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)材料的實驗中，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。這些實驗幫助科學(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)無法評估的獨(dú)特信息，從而有助于理解這些材料。

2021發(fā)表的另一項研究討論了光學(xué)顯微鏡在納米材料研究中相對于SEM和TEM等電子顯微鏡的優(yōu)勢。這項研究認(rèn)為，由于納米材料的尺寸很小，快速識別、定位和操縱納米材料是一個巨大的挑戰(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)，這會帶來若干缺點，例如難以執(zhí)行多個操作以及樣品在電子顯微鏡預(yù)處理后受損。