高分子學(xué)科透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體會(huì)

趙 梅，李成棟，程俊梅，于廣水

(青島科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

·實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、探索與創(chuàng)新·

高分子學(xué)科透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體會(huì)

趙 梅a，李成棟a，程俊梅b，于廣水b

(青島科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

根據(jù)學(xué)科方向調(diào)整透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)具有十分重要的意義。對(duì)于高分子學(xué)科的透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)突出學(xué)科方向，合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用透射電鏡觀察分析高分子材料典型樣品的方法和技巧，并結(jié)合掃描電鏡觀察，提高學(xué)生綜合分析高分子材料微觀組織的能力。

高分子學(xué)科；透射電鏡；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；體會(huì)

透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)簡(jiǎn)稱透射電鏡，是利用高能電子束作為照明光源對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行高倍放大成像的大型分析設(shè)備[1-2]，被廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料和有機(jī)高分子材料等領(lǐng)域。借助于TEM，研究人員可以直接觀察到材料內(nèi)部的組織狀態(tài)和微觀缺陷，電子衍射功能可以原位分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，高分辨電子顯微分析可以直接觀察材料的晶格和原子級(jí)缺陷[3-4]。在功能應(yīng)用方面，以電子衍射分析和高分辨電子顯微觀察為主，形貌表征為輔。

高分子材料大多是多組分多相復(fù)合體系，這些復(fù)合體系的性能不僅取決于復(fù)合體系中各組分的結(jié)構(gòu)，還取決于各相的分布等結(jié)構(gòu)特征[5-6]。應(yīng)用透射電鏡可以研究這些共混、共聚、填充等高分子多相體系中各相形貌特征及其分布，還可以直接觀察高分子乳液顆粒的形態(tài)及粒徑大小[7]。對(duì)于部分高分子結(jié)晶材料，利用透射電鏡能夠觀察結(jié)晶相的分布，得到多晶環(huán)，不需要進(jìn)行更深入的晶體結(jié)構(gòu)分析，較少涉及高分辨電子顯微觀察和電子衍射分析。因此，在高分子學(xué)科透射電鏡的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)突出學(xué)科方向，按照以形貌表征為主、電子衍射分析為輔的導(dǎo)向，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并應(yīng)用本學(xué)科的典型樣品進(jìn)行綜合分析。

1 在理論教學(xué)中突出學(xué)科方向

青島科技大學(xué)高分子學(xué)院開(kāi)設(shè)的與透射電鏡相關(guān)的理論課程是近代分析測(cè)試方法和高分子材料測(cè)試技術(shù)，這兩門課程均有透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。以往理論課程講授透射電鏡時(shí)，往往面面俱到，包括：樣品制備技術(shù)、電子光學(xué)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)和成像原理、衍襯成像原理、電子衍射、高分辨電子顯微術(shù)。由于學(xué)時(shí)有限，結(jié)果該講清的沒(méi)講清，沒(méi)有實(shí)用意義的反而耽誤時(shí)間?，F(xiàn)在，透射電鏡理論教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為三部分：(1)高分子材料樣品制備技術(shù)；(2)襯度成像原理；(3)透射電鏡在高分子材料中的應(yīng)用。調(diào)整后的理論教學(xué)突出學(xué)科方向，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)突出、有的放矢，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下了很好的基礎(chǔ)。

2 調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

對(duì)傳統(tǒng)的透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂，基本摒棄了電子衍射和高分辨分析的內(nèi)容。

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。掌握透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)和原理；學(xué)習(xí)透射電鏡觀察形貌的基本操作；學(xué)習(xí)冷凍超薄切片技術(shù)；學(xué)習(xí)應(yīng)用質(zhì)厚襯度原理分析高分子材料圖片中襯度的形成；掌握高分子材料多晶衍射環(huán)的標(biāo)定方法；掌握應(yīng)用透射電鏡觀察共混、共聚、填充等高分子多相體系中各相結(jié)構(gòu)及其分布的方法。

2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配。實(shí)驗(yàn)共4個(gè)學(xué)時(shí)，在時(shí)間安排上以典型高分子材料的形貌觀察為主要環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)安排如表1所示。

表1 透射電鏡實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配

3 觀察分析高分子材料典型樣品

實(shí)際操作和樣品演示相互結(jié)合，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)，占據(jù)過(guò)半的實(shí)驗(yàn)課時(shí)。對(duì)于不同學(xué)科，需要調(diào)整透射電鏡操作技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)，并演示相應(yīng)學(xué)科的典型樣品。這一點(diǎn)在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并不能實(shí)現(xiàn)。

1) 最典型的樣品是超薄切片樣品，以硫化順丁橡膠樣品為例，觀察目的是30份N330在硫化順丁橡膠中的分布規(guī)律、粒徑、聚集態(tài)。首先，應(yīng)在Low Mag模式下仔細(xì)尋找大而薄的切片，越“透明”說(shuō)明越薄，切片盡量連續(xù)。如果沒(méi)有合適的切片，后續(xù)的觀察意義不大。這一環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng)，很關(guān)鍵。其次，把選擇的切片進(jìn)行放大，如圖1所示，圖中小的分散顆粒是炭黑，背后灰白連續(xù)的區(qū)域是橡膠背底。背底越白，說(shuō)明切片越薄。拍照時(shí)，注意選擇切片薄而均勻的區(qū)域，也就是背底盡量“白”而灰度均勻。

圖1 用透射電鏡觀察硫化順丁橡膠切片中的炭黑分散

2) 很多高分子樣品需要在較低放大倍數(shù)(如幾千倍)下觀察，例如，NBR/PLA共混材料，觀察分散相在基體相中的分布。這時(shí)，需要先調(diào)整電鏡束斑尺寸，在合適電子束強(qiáng)度下進(jìn)行觀察并拍照。此外，觀察兩相共混結(jié)構(gòu)時(shí)，有時(shí)需要染色處理，提高兩相襯度對(duì)比。

3) 高分子材料樣品的透射電鏡圖片襯度較弱，例如，高分子乳液中的顆粒、高分子材料纖維，顆?；蚓€的輪廓不清晰，圖片整體襯度不強(qiáng)，這時(shí)，需要適當(dāng)加大欠焦量，以圖片清晰而不出現(xiàn)明顯白邊為標(biāo)準(zhǔn)。

4) 高分子結(jié)晶材料的多晶衍射環(huán)比較微弱，在觀察和拍照時(shí)需要增強(qiáng)束斑強(qiáng)度并采用擋針。

4 與掃描電鏡結(jié)合，綜合分析材料的微觀組織

掃描電鏡與透射電鏡同屬于電子顯微學(xué)的范疇，都是用來(lái)觀察材料顯微組織與結(jié)構(gòu)的重要工具。掃描電鏡圖片就如同對(duì)物體照相的照片，得到的是表面的立體三維圖像，只能看到表面，不能看見(jiàn)內(nèi)部[8]。而透射電鏡圖片是二維的圖像，沒(méi)有立體感，看到表面的同時(shí)也能看到內(nèi)部，就像底片一樣。對(duì)于高分子學(xué)科，透射電鏡觀察形貌存在諸多不足，主要原因有如下三方面：(1)圖片的襯度比較弱；(2)超薄切片的成功率較低，限制了透射電鏡的觀察；(3)切片的厚薄會(huì)直接影響樣品的分析結(jié)果，產(chǎn)生虛假信息。例如，對(duì)于橡膠切片，切片的厚薄將直接影響圖片中炭黑顆粒的多少與團(tuán)聚程度，并不能完全真實(shí)、直觀地反映橡膠切片中炭黑顆粒的團(tuán)聚度與分布。因此，建議與掃描電鏡結(jié)合，以全面反映樣品的微觀組織。

應(yīng)用掃描電鏡和透射電鏡都能觀察橡膠材料中炭黑顆粒的分布規(guī)律和聚集態(tài)，分別如圖2和圖3所示。掃描電鏡觀察橡膠冷凍淬斷的斷面，制樣簡(jiǎn)單。圖2能反映樣品斷面上炭黑顆粒的分散，直觀清楚、立體感強(qiáng)。透射電鏡觀察橡膠的冷凍超薄切片，樣品制備較難，且受切片成功率與厚薄的限制。圖3反映橡膠內(nèi)部炭黑顆粒的分散，優(yōu)點(diǎn)是顆粒邊界清晰，更容易觀察分布與團(tuán)聚，計(jì)算顆粒尺寸更精確，直徑為20～50 nm。兩者結(jié)合，能全面直觀地反映橡膠內(nèi)炭黑分散情況和團(tuán)聚程度，并準(zhǔn)確計(jì)算粒徑。

圖2 橡膠冷凍淬斷斷面SEM像

圖3 橡膠冷凍切片TEM像

5 結(jié)束語(yǔ)

在高分子學(xué)科透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分運(yùn)用高分子材料典型樣品、調(diào)整側(cè)重點(diǎn)、合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有十分重要的意義。這有利于提高透射電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性、綜合性，明顯改善教學(xué)效果，對(duì)學(xué)生以后從事相關(guān)研究工作大有裨益。

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Discussion on the Transmission Electron Microscope Experiment Teaching of Polymer Science

ZHAO Meia, LI Chengdonga, CHENG Junmeib, YU Guangshuib

(a. College of Material Science and Engineering;b. College of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

It is necessary to adjust transmission electron microscope (TEM) experiment teaching according to subject direction. For polymer science, major theory teaching contents have been pointed out, teaching purposes have been revised, and teaching steps have been arranged reasonably. In experiment classroom, how to prepare and study the polymer materials samples by TEM were narrated. Those experiment teaching and practice steps combined with SEM (scanning electron microscope) can improve the abilities to analyze the microstructures of polymer materials.

polymer science; transmission electron microscope; experimental teaching; discussion

2013-09-04；修改日期: 2013-10-09

青島科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(0022503)。

趙 梅(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：透射電子顯微分析 。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.016