【深度讨论】环境扫描电镜ESEM技术与应用综述
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发布时间：2024-09-30 12:02
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时间：2024-10-13 19:47
环境扫描电镜ESEM：技术革新与材料科学的探索之旅
自光学显微镜的诞生，电子显微镜技术的发展犹如一场*，特别是扫描电子显微镜（SEM，包括环境扫描电镜ESEM），它以观察自然状态样品的卓越能力，极大地推动了材料科学的边界。早期光学显微镜受限于分辨率，而电子显微镜，尤其是SEM，如TEM的升级版ESEM，凭借其高分辨率和对潮湿或绝缘样品的适应性，成为了研究材料动态变化和化学反应的强大工具。
ESEM的发展历程见证了从高真空环境到低真空甚至环境室的转变，如飞利浦和赛默飞的场发射ESEM，提供了无须表面预处理的直接观察。ESEM有三种模式：高真空、低真空和ESEM模式，每种模式针对不同的样品条件，灵活适应各种研究需求。ESEM的独特之处在于其对样品状态的包容性，无论是湿润、干燥，还是绝缘生物样本，都能在原位观察到其真实动态。
自2006年以来，ESEM的研究兴趣与出版物数量呈现稳步增长，它的核心构造由电子源、镜筒、扫描系统和检测单元构成，同时，压差光阑（PLA）的引入，使得ESEM能维持“环境室”的稳定。ESEM的设计中，气体如水（或氮气）起着至关重要的作用，它不仅简化了样本准备，还提供了良好的景深和较高的气压环境，这对于二次电子和背散射电子成像至关重要。ESEM镜筒上配备的多种附件，如EDS和EBSD，使得非原位观察和动态过程研究成为可能。
尽管高真空模式对样品有特定要求，但在低真空或ESEM模式下，ESEM对生物材料的观察更为灵活，能保留原始状态，避免传统方法可能带来的干扰。ESEM尤其在观察含水、污染或生物样本方面表现出色，如蜘蛛丝的微观结构与集水性能研究，以及生鸡蛋壳和荷叶表面在不同湿度下的变化观察。对于细胞、细菌和蛋白质等微小样本，ESEM提供了更为清晰的成像，如猪肉肌肉研究中，低温和湿度条件下的观察揭示了处理对肌肉结构的影响。
在考古、建筑材料分析和环境保护领域，ESEM同样发挥了重要作用。它通过揭示化石的微观结构和元素分布，为地质年代研究提供了关键信息。在文化遗产保护中，ESEM的非破坏性检测能力使得科学家能够深入探究骨骼化石和骆驼骨化石的地球化学细节。同时，它也被用于研究建筑材料的表面形态和性能，助力高性能材料的设计。
在材料科学中，ESEM的应用尤其在环境敏感反应中展现出强大潜力。通过实时的原位观察，ESEM揭示了如防冰材料、灾害防治和大气科学等领域的材料动态变化。例如，铁在水蒸气中氧化的表面形态变化，以及K-PS土工聚合物水泥的水化过程，都是ESEM研究的重要例证。通过优化硬件和附件，ESEM能够控制环境参数，进行复杂过程的深入研究，如纳米结构的制造和改性。
尽管面临提高分辨率、减少电子束损伤等技术挑战，但ESEM的未来展望充满希望。Zhang等人的研究展示了利用相位重建技术改进水下观察的可能性，而随着MEMS和AI技术的发展，ESEM有望进一步提升为“微环境实验室”，在材料表征中扮演更加核心的角色。在纳米技术的时代，ESEM的广泛应用将助力材料科学家揭示更多复杂过程的奥秘。
这些研究文献，如Zheng等人的荷叶微滴研究，以及Zhang等人对ESEM技术的最新进展分析，展示了ESEM技术在材料科学领域无限的潜力和广阔的应用前景。
