电子显微镜在出土古代纺织材料检测中的应用

电子显微镜在出土古代纺织材料检测中的应用

电子显微镜技术的应用显微镜技术的发展是其他科学技术发展的先驱。17世纪60年代出现的光学显微镜引发了巨大的变革，将人类的观赏业务进入微观世界，创造了许多新领域进入人类研究领域，促进了许多学科的建立和发展。20世纪30年代，电子显微镜技术进一步扩展了人类的观察领域，导致了许多新学科和新技术的出现。可以说，现代科学研究对电子显微镜技术的应用有很大的依赖性。特别是在纳米技术、材料技术和生命科学技术的研究方面，电子显微镜技术的应用是罕见的，不能使用。随着科学技术的进步，电子显微镜技术的应用越来越普遍。同时，电子显微镜技术本身也得到了很大的发展。从最初的电子显微镜、电子显微镜隧道电子显微镜、原子力电子显微镜、离子电导率电子显微镜、电子显微镜等先进仪器的应用广泛用于科学研究、化学、科学研究和科学研究，这些先进的工具在纺织、原材料、纺织检测等方面得到了广泛应用。本文简要介绍了电子显微镜在古代纺织检测中的应用。电子显微镜在国内的发展应用20世纪30年代,德国科学家诺尔(M.knoll)和卢斯卡(E.Ruska)在电子光学的基础上,研制出了世界上第一台透射式电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,TEM,简称透射电镜),成功地得到了用电子束拍摄的铜网像,尽管放大倍数只有12倍,但它为以后电镜的发展和应用奠定了基础.此后经过科学家们半个多世纪的努力和改进,透射电镜的分辨本领现已达到了0.1nm~0.2nm,几乎能分辨所有的原子.此后又相继出现了能直接观察样品表面立体结构的扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM,简称扫描电镜),其分辨率为3nm~6nm和能进行活体观察的超高压电镜,实现了人们直接观察生物大分子结构和重金属原子图像的愿望.我国的电镜研制工作从20世纪50年代开始,至今已成功地研制出一系列各种形式的电镜.目前,电子显微镜的应用与物理学、化学、生物化学、计算机等学科发生了紧密的联系,在材料、冶金、轻工、纺织、医药以及国防尖端科学等领域,得到了越来越广泛的应用.电子显微镜观察也已从形态学分析逐步提高到定性、定量分析水平,从而更加扩大了电子显微镜的应用范围.随着科学技术的不断进步,极大地促进了电子显微镜技术的发展,近几年来,大量新型、高功能的电子显微镜投入使用,为科技研究工作提供了强有力的支持,促进了科学技术的发展与进步.下面对目前使用较为普遍的几种先进电子显微镜作一简单介绍.扫描电镜特点扫描式电子显微镜中的电子束,在样品表面上动态地扫描,以一定速度,逐点逐行地扫描样品的表面.样品逐点地发出带有形态、结构和化学组分信息的二次电子,这些电子由检测器接收处理,最后在屏幕上显示形态画面.图像为间接成像,其加速电压为1kV~30kV.扫描电镜大体可分为:镜体、样品室、真空系统、二次电子检测器及图像显示和摄影部分.其分辨率一般为3nm~6nm,放大倍数可从几十倍连续调节到几十万倍,样品制备比较简单,适应性强,以样品表面观察法为主,此外还有冷冻割断内部结构观察法.图像景深长,层次丰富,立体感强,为三维结构像.广泛应用于样品表面及其断面立体形貌的观察,并具有多种分析功能.图1是扫描电镜的原理图.扫描隧道显微镜Microscope,STM)G.Binnig和H.Rohrer在1981年研制成功扫描隧道显微镜,并因此获得1986年诺贝尔物理奖.扫描隧道显微镜(STM)是利用导体针尖与样品之间的隧道电流,并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品表面扫描,从而能以原子尺度记录样品表面形貌的新型仪器.其分辨率已达到1nm~2nm,用它可研究各种金属、半导体和生物样品的表面形貌,也可研究表面沉积、表面原子扩散、表面粒子的成核和生长,吸附和脱附等.扫描隧道显微镜是在五维空间提供信息,即实际空间、隧道电流I和隧道电压V,因此可以有多种成像模式.原子力显微镜.原子力显微镜是Binnig等人在1986年提出的,将扫描隧道显微镜的工作原理和针式轮廓曲线仪原理结合,制成了原子力显微镜.图2是原子力显微镜的原理图.图中针尖端上的原子与样品表面上的原子之间有相互作用力:静电力、范德瓦尔斯力等.作用力的大小与它们之间的距离有某种反比例关系.力的大小可以检测,并且力的大小影响隧道电流的变化,从而当针尖端在样品表面上移动时,因其尖端上的原子受到样品表面上的原子作用而引起隧道电流的变化,进而给出样品表面轮廓的信息,因此可以显示出样品的表面形貌.spm的基本原理扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜和原子力显微镜基础上发展起来的,是20世纪80年代以来迅速发展起来的纳米科技,特别是纳米测量学、纳米表征与测量方法中最重要最基本的手段.其工作原理是:以尺寸为原子级的非常细的探针和被测样品表面作为工作的主要元件;用灵敏度可达0.5nm/V的压电陶瓷在X和Y两个方向上完成探针与样品之间的相对运动(扫描),用探针在Z方向的升降来模拟样品表面的起伏;用探针与样品间的相互作用所产生的物理量的数值随样品表面起伏的变化来调制显示器的灰度,从而达到观察样品表面形貌的目的.按照样品与探头移动(即扫描)方式不同,SPM一般又可以分为样品扫描式和探头扫描式两种.这种仪器分辨率高,横向分辨率可达0.1nm,纵向分辨率可达0.01nm,可以直接观察分子或原子;可以测定样品的三维图像,测定如晶体缺陷、晶体夹杂、微小颗粒、超细粉末、气孔、凹坑等;可以在大气、真空甚至液体中,在高温或低温下进行观测.检测时可以不与样品接触,故不会损伤样品,检测时不需要电子束照射,也不会对样品造成辐射损伤等.电子显微镜检测电子显微镜具有极高的分辨率和快速准确的观测等优点,使得它广泛地应用于纺织品检测,从最新型纺织材料的研制到最终纺织产品的生产,从古老的出土纺织文物到最新上市的流行服装,都可以使用电子显微镜进行检测与鉴定.表面理化性能的测量随着纺织科技的不断发展,新型纺织材料层出不穷,在新型纺织材料的研制过程中,需要对新材料进行观察、检测和鉴定.为达到纺织品对材料的各种要求,在研制过程中就需要了解材料的内部结构、物质成分和各种理化性能.通过电子显微镜的观察,不仅可以知道纺织材料的表面特征,也可以知道材料的内部结构和化学组成,进而可以判定其许多理化性能指标,指导进一步的材料研制工作.对于出土纺织品,首先就需要确定其所使用的纺织材料的种类、特点、结构和性能,通过电镜观测,基本可以准确鉴定.图3是现代桑蚕丝纤维电镜横截面投影图;图4是出土纺织样品的纤维电镜横截面投影图.比较两图明显可见,这是同一种纤维,也就是说出土纺织样品的材料是桑蚕丝.当然,有时对于纺织材料品种的鉴定还需要借助其他方法,但电子显微镜准确快速的观测鉴定有其独到的优点,所以被广泛使用.电子显微镜测试织物的结构与纺织品的性能、外观形态和纺织工艺有着密切的关系,对它们之间关系的深入了解,有助于提高纺织品的设计、制造水平,对改进纺织工艺也有着十分重要的作用.特别是对于出土纺织品的织物结构的研究,还可以用来判定出土文物的年代、使用的纺织工具以及织造工艺.由于中国古代的纺织品许多是丝绸织物,结构细密、工艺复杂,使用电子显微镜能够进行准确快速的观测,织物结构和微观形态清楚明显,对于古代纺织品的研究和鉴定有着不可替代的作用.图5为出土丝织品的结构与组织电镜图.电子显微镜测试纤维与纱线是纺织品的基本组成部分,其性质、结构对纺织品具有十分重要的影响,对纤维的研究是纺织科技研究的最重要的一个方面,新材料的研究、制造和鉴定,都是从纤维开始.纱线的结构和性能决定了纺织品的性能和外观形态,对纺织品结构也有一定的影响.使用电子显微镜对纤维和纱线的性能、结构以及组成进行研究,有助于深入了解纺织材料的基本特征,加快新型纺织材料的设计与制造,可以指导纺织产品的设计和开发.在出土纺织材料的研究方面,纤维和纱线的电镜观测是经常使用的一种方法,它能快速准确地鉴定古代纺织品的年代以及所使用的材料、工艺和技术.对于纺织品经过不同处理之后的变化,也可以通过电镜观察相应的纤维形态进行研究,进而对处理工艺的效果和影响有一个直观准确的认识,可以指导改进处理工艺.图6是对棉纤维进行不同的处理之后的电镜图.电子显微镜观察染整是纺织品的后处理工艺,它对纺织品的外观形态、色泽、性能以及穿着舒适性有着重要的作用,染整之后的纺织品的各项特性都在微观上具有一定的体现.通过电子显微镜对纺织品的染整工艺进行微观观察,有助于了解染整对纺织品的作用情况,进而指导改进染整工艺.对于出土纺织品,对其进行染整工艺的电子显微镜观察,可以用来鉴定古代的各项染整工