Small Methods: 最新综述-环境扫描电子显微镜在材料科学中的应用和展望

人类对材料的微观认识受益于不断进步的显微学分析方法。从光学显微镜到电子显微镜,显微学的技术进步直接推动了大量新物理化学现象的发现以及先进材料的研发。而今,电子显微学已是材料科学研究中最常用的微观分析方法。其中,扫描电子显微镜、特别是环境扫描电子显微镜(Environmental Scanning Electron Microscope, ESEM)的出现,更是提供了对样品(包括含水以及绝缘样品)在其天然状态下的表面微观形貌观察的可能性。相对于常规扫描电子显微镜,ESEM允许其样品室存在各种气体环境(最高气压可达4000 Pa),从而为研究生物、有机体以及含水样品带来了前所未有的机遇。特别是近年来,原位分析在材料科学领域逐渐成为重要的研究方法,基于ESEM的原位研究也在不断增多。

近日,Small Methods上发表了题为“Applications of ESEM on Materials Science: Recent Updates and a Look Forward”的综述文章。该综述首先简要介绍了ESEM的发展历程,结构特点以及工作原理。随后从两个方面系统地阐述了其在科学材料科学研究中的最新应用。其一,对于普通的静态观察,作者回顾了近年来环境扫描电子显微镜在生物、环境敏感材料、化石考古、建筑材料等诸多研究领域中发挥的作用。其二,作者重点强调了环境扫描电镜作为一个可视化的“微型实验室”在材料的原位研究领域取得的进展。鉴于水是ESEM研究中最常见的气体环境,该综述把与此相关的原位研究分为以下三类:(1)水的相变过程的原位显微观察,主要指关于水在相变/润湿/运输过程中发生的形态变化的研究。(2)由于水的参与而引起的各种材料的形态变化过程的原位观察,例如材料的溶胀以及潮解、金属的腐蚀、纳米结构的制备、水泥的水化过程等。(3)无水参与的其他动态过程的原位观察,例如电池反应、二维材料和纳米材料的生长、氧化物的烧结、金属材料的高温拉伸等。最后,作者展望了环境扫描电子显微镜在发展中所面临的挑战及其应用于材料科学前沿领域的发展前景。

该综述发表于Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900588),由南昌大学材料科学与工程学院和香港理工大学应用物理系合作完成。第一作者为博士生张洲洋,通讯作者为费林峰教授和黄海涛教授。