Электронная микроскопия (ЭМ) основана на взаимодействии пучка электронов с веществом, что обеспечивает значительно более высокое разрешение по сравнению с оптической микроскопией. Основной принцип заключается в использовании коротковолнового электронного пучка, который позволяет визуализировать объекты с разрешением до долей нанометра. Длина волны электронов в ЭМ определяется их кинетической энергией и может составлять доли ангстрем, что делает возможным исследование атомных структур.
В ЭМ различают два основных типа: просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ, TEM) и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ, SEM). ПЭМ используется для изучения внутренней структуры наноматериалов, выявления дефектов кристаллической решетки и анализа морфологии на атомном уровне. СЭМ позволяет получать детализированные изображения поверхности объектов с высокой глубиной резкости, что важно для изучения наноструктурированных поверхностей и нанокомпозитов.
Контраст в электронной микроскопии формируется за счёт различий в электронной плотности материалов и их взаимодействия с электронами. Для ПЭМ часто применяют тонкие срезы образцов толщиной менее 100 нм, иногда требуется использование контрастирующих веществ (например, тяжелых металлов) для визуализации органических наноматериалов. В СЭМ контраст достигается за счёт вторичных электронов и рассеянных электронов, что позволяет различать материалы с разной атомной массой и топографией поверхности.
Подготовка образцов является критически важной для сохранения наноструктур и предотвращения артефактов. Методы включают механическое шлифование, ионное травление, криозаморозку и химическое стабилизирование. Для полимерных и биополимерных наноматериалов применяются криогенные методы, позволяющие сохранить структуру при высоком вакууме и воздействии электронного пучка.
Электронная микроскопия позволяет детально исследовать морфологию, размер, форму и распределение частиц в наноматериалах. С помощью ПЭМ можно определить кристаллографическую структуру отдельных нанокристаллов, идентифицировать дефекты решетки, границы зерен и слоистость материалов. Анализ дифракционных карт ПЭМ обеспечивает информацию о фазовом составе и ориентировке кристаллов.
СЭМ используется для оценки поверхности нанопленок, нанокомпозитов и функционализированных наночастиц. Современные детекторы позволяют проводить химический анализ на субмикронном уровне, включая энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (EDX), которая выявляет распределение элементов в наноструктуре.
Развитие технологий привело к созданию высокораcрешающей (HR-TEM) и просвечивающей крио-ЭМ (cryo-TEM), которые позволяют наблюдать динамические процессы и биомолекулярные комплексы в естественном состоянии. Комбинированные подходы включают СЭМ с FIB (focused ion beam) для точечного срезания и анализа объёмных наноструктур, а также совместное использование ЭМ с атомно-силовой микроскопией (AFM) для корреляции морфологии и топографии.
ЭМ используется для исследования наночастиц металлов, оксидов, полимеров, нанокомпозитов и биополимерных структур. Она позволяет контролировать размер и форму наночастиц, оценивать однородность распределения, выявлять агрегацию и дефекты, а также изучать процессы синтеза и функционализации на наномасштабе. В каталитической нанохимии ЭМ помогает анализировать активные центры и распределение нанокатализаторов.
Методы ЭМ также играют ключевую роль в разработке нанопленок, нановолокон и слоистых материалов, где важна точная информация о толщине слоев, пористости и морфологии поверхности. Использование ЭМ для контроля наноструктур обеспечивает прямую корреляцию между химическим составом, структурой и функциональными свойствами материалов.
Электронная микроскопия остаётся фундаментальным инструментом в нанохимии, обеспечивая точное понимание структуры, состава и свойств наноматериалов, что невозможно получить другими методами анализа.