材料科學(xué)中的超薄切片應(yīng)用：從納米結(jié)構(gòu)到表征聯(lián)接

引言：以超薄切片揭示材料結(jié)構(gòu)與性能的對(duì)應(yīng)

在眾多前沿材料體系（如共價(jià)有機(jī)框架 COF 薄膜、多相聚合物共混物、多層涂層及多孔晶體材料）中，關(guān)鍵性能往往受納米尺度顆粒/相域的有序度、晶界與界面結(jié)構(gòu)控制。然而，此類(lèi)樣品常具“脆、敏、軟硬相并存"等特性：遇水或氧化環(huán)境易失穩(wěn)、在電子束下更易受損、傳統(tǒng)研磨拋光或離子減薄易引入偽影或?qū)е缕扑?。針?duì)這些挑戰(zhàn)，源自生命科學(xué)的超薄切片技術(shù)為材料電鏡與多模態(tài)表征提供了可重復(fù)、可控、真實(shí)的前處理路徑。

技術(shù)概述：超薄切片的機(jī)理、厚度與設(shè)備

定義與原理
超薄切片通過(guò)超薄切片機(jī)與特制玻璃/鉆石刀具，將樣品切割為約 5–100 nm 的薄片，使其滿(mǎn)足電子透射成像對(duì)電子透明區(qū)的要求。該過(guò)程在納米尺度體現(xiàn)為受控的“斷裂—滑移"或“微切削"，需要在設(shè)備穩(wěn)定性、刀刃鋒銳度、樣品內(nèi)聚力三者之間實(shí)現(xiàn)平衡，以獲得平整且高保真度的薄片。

設(shè)備要點(diǎn)
Leica Microsystems 的 Leica UC Enuity 超薄切片系統(tǒng)在常溫或低溫條件下實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度切片，配合鉆石刀具獲得均勻超薄片層，滿(mǎn)足 TEM 等高分辨成像需求。對(duì)于軟質(zhì)材料，過(guò)程更接近“微切削"；對(duì)于硬脆材料，則表現(xiàn)為“受控?cái)嗔?。

應(yīng)用價(jià)值：制樣攻關(guān)、多模態(tài)聯(lián)接與 3D 重構(gòu)

適配“難制樣"材料
軟硬相共存的聚合物共混物、多層涂層、多孔晶體等在機(jī)械研磨、離子減薄或 FIB 切片中易出現(xiàn)軟相涂抹、硬相脫落、選擇性濺射等問(wèn)題；對(duì)水氧或電子束敏感的樣品亦難以保持結(jié)構(gòu)完整。利用 Leica UC Enuity 在常溫或低溫下進(jìn)行精準(zhǔn)機(jī)械切割，可在不破壞本征形態(tài)的前提下獲得高質(zhì)量切片/截面，真實(shí)呈現(xiàn)兩相界面結(jié)構(gòu)并與電鏡數(shù)據(jù)建立結(jié)構(gòu)—性能關(guān)聯(lián)。

多模態(tài)關(guān)聯(lián)分析能力
超薄切片不僅服務(wù)于 TEM 制樣，還可得到用于超高分辨表面形貌/成分檢測(cè)與光譜表征的平整端面與半薄片，實(shí)現(xiàn)“一次制樣，多機(jī)聯(lián)用"，提升數(shù)據(jù)的可比性與聯(lián)動(dòng)性。

圖. 超薄切片術(shù)滿(mǎn)足多種制樣需求。

電鏡三維重構(gòu)基礎(chǔ)
通過(guò)連續(xù)切片與序列圖像采集，可在納米尺度重構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如納米顆粒團(tuán)聚體空間分布、裂紋網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展路徑等，為失效機(jī)理研究與工藝優(yōu)化提供三維證據(jù)鏈。

適用邊界
當(dāng)材料硬度接近鉆石或樣品尺寸過(guò)大時(shí)，為避免刀具與樣品受損，不建議使用該方法。

關(guān)鍵工藝：從造型、溫度到參數(shù)調(diào)控

造型與包埋

·       塊狀/片狀樣品：可直接夾持切片，但需規(guī)范修塊并減小端面尺寸，以提高成片率與平整度。

·       顆粒/纖維/薄膜：建議樹(shù)脂包埋以獲得規(guī)則幾何與必要機(jī)械支撐，避免破碎與變形。
上述策略有助于緩解切片過(guò)程中的卷曲、黏連等問(wèn)題，提升超薄片質(zhì)量。

圖. 兩種常用與于材料樣品的包埋方法

溫度選擇與聚合物的 Tg
聚合物切片行為與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）密切相關(guān)。

·       當(dāng)切片溫度 高于 Tg：材料處于高彈態(tài)，易壓縮形變并出現(xiàn)卷曲、拉絲或難以成片；

·       當(dāng)切片溫度 略低于 Tg：材料呈脆性，更易獲得高質(zhì)量超薄片；

·       溫度過(guò)低則導(dǎo)致片材更易破碎。
實(shí)踐中可將切片溫度設(shè)定在 Tg 以下約 10?°C 作為起始參考，結(jié)合 Leica UC Enuity 的低溫環(huán)境實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。文中示例展示了 PS-b-PI（低溫 30–40?nm）與 PS-b-PMMA（常溫 60?nm）的 TEM 成像結(jié)果。

圖. 左：PS-b-PI使用Leica UC Enuity低溫下制備30-40 nm超薄切片的透射電鏡圖；右：PS-b-PMMA使用Leica UC Enuity常溫下制備60 nm超薄切片的透射電鏡圖。

參數(shù)調(diào)節(jié)：速度與厚度
切片速度與厚度共同決定樣品受力與刀具負(fù)荷：

·       降低速度/厚度通常有利于減小受力，獲得平整薄片并延長(zhǎng)鉆石刀具壽命；

·       對(duì)相對(duì)較硬材料，略提速度、降厚度可提供足夠切削動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)從“切不動(dòng)"到“可成片"的跨越；

·       Leica UC Enuity 支持切片過(guò)程中的實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整，設(shè)備即時(shí)響應(yīng)，便于短時(shí)多輪優(yōu)化。

系統(tǒng)配置：Leica Microsystems 在材料切片中的實(shí)現(xiàn)路徑

平臺(tái)化與自動(dòng)化
Leica Microsystems 于 2024 年推出智能化超薄切片系統(tǒng) Leica UC Enuity。其在重力切片的高穩(wěn)定基礎(chǔ)上，集成電動(dòng)樣品架與刀架控制，實(shí)現(xiàn)常溫條件下的自動(dòng)修塊與自動(dòng)對(duì)刀，降低操作復(fù)雜度并提高重復(fù)性。系統(tǒng)內(nèi)置多工作模塊，包括3D 修塊/精準(zhǔn)暴露定位面與支持電鏡三維重構(gòu)的切片程序，形成從修塊到切片的流程化平臺(tái)。

圖. 徠卡全新超薄切片系統(tǒng)UC Enuity

光學(xué)觀察與熒光定位
UC Enuity 可升級(jí)搭載 Leica M205 熒光體視鏡，將熒光成像與超薄切片一體化，便于在切片環(huán)節(jié)進(jìn)行目標(biāo)位熒光定位，提高上鏡前的取景準(zhǔn)確度。

圖. 徠卡全新超薄切片系統(tǒng)UC Enuity 自動(dòng)對(duì)刀過(guò)程展示。

低溫環(huán)境與敏感樣品
Leica Microsystems 的低溫切片環(huán)境艙優(yōu)化液氮管路并實(shí)現(xiàn)樣品、刀具、艙室的多點(diǎn)溫控，同時(shí)阻隔外界氣氛對(duì)低溫樣品的干擾，適用于對(duì)水氧/溫度敏感的材料體系制樣。

典型應(yīng)用與場(chǎng)景化說(shuō)明

·       COF 薄膜與多孔晶體材料：利用 Leica UC Enuity 在常溫或低溫下獲得電子透明的超薄片，可減小電子束損傷與離子濺射偽影風(fēng)險(xiǎn)，支持對(duì)晶界分布、孔徑連通性與骨架有序度的觀察與分析。

·       聚合物共混/嵌段體系：結(jié)合 Tg 導(dǎo)向的低溫切片策略，可呈現(xiàn)軟硬相本征形態(tài)與界面結(jié)構(gòu)，支撐對(duì)相分離尺度、域形貌與力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究。示例顯示 PS-b-PI（30–40?nm，低溫） 與 PS-b-PMMA（60?nm，常溫） 的 TEM 成像可在 Leica UC Enuity 平臺(tái)上獲得。

·       多層涂層/復(fù)合材料：通過(guò)規(guī)則化修塊與端面減小策略，配合參數(shù)與速度/厚度優(yōu)化，能減少“涂抹/撕扯"現(xiàn)象，獲得可用于表面形貌、成分與譜學(xué)聯(lián)用的平整截面。

實(shí)施建議與注意事項(xiàng)

·       樣品前處理：優(yōu)先評(píng)估端面尺寸、幾何規(guī)則性與包埋需求，必要時(shí)采用樹(shù)脂包埋“加固"顆粒、纖維與薄膜。

·       溫度窗口：以 Tg?10?°C 作為聚合物初始切片溫度參考，隨后結(jié)合片材完整性與卷曲/拉絲情況微調(diào)。低溫制樣建議使用 Leica 低溫切片環(huán)境艙。

·       參數(shù)優(yōu)化：在 Leica UC Enuity 上通過(guò)小步長(zhǎng)迭代調(diào)整切片速度與厚度；對(duì)較硬材料嘗試“略提速、降厚度"的組合以提升切出效率與片面質(zhì)量。

·       適用邊界：硬度近似鉆石或尺寸過(guò)大的樣品不建議用超薄切片，以避免刀具及樣品受損。

·       多模態(tài)聯(lián)用：一次制樣建議同時(shí)規(guī)劃 TEM、表面形貌/成分與譜學(xué)路徑，以提高數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)性與實(shí)驗(yàn)效率。

結(jié)語(yǔ)：以平臺(tái)化切片連接材料結(jié)構(gòu)—性能研究

超薄切片為納米尺度結(jié)構(gòu)可視化與多模態(tài)表征建立了標(biāo)準(zhǔn)化前處理路徑。依托 Leica Microsystems 的 Leica UC Enuity 超薄切片系統(tǒng)、M205 熒光體視鏡與低溫切片環(huán)境艙等模塊化配置，可在常溫與低溫場(chǎng)景下獲得高質(zhì)量薄片/截面，服務(wù)于二維成像與三維重構(gòu)，提升材料結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系研究的效率與可信度。對(duì)于軟硬相共混、電子束/環(huán)境敏感與多孔脆性材料，超薄切片提供了可復(fù)現(xiàn)的制樣解決方案。