مدت‌هاست که آئروژل‌ها به‌عنوان موادی با پتانسیل بالا در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از چالش‌های محققان در مسیر استفاده از این مواد، روش‌های قابل اعتماد برای تعیین مشخصات آنها است. یکی از این ابزارها، میکروسکوپ الکترونی عبوری است. هرچند با استفاده از این روش، اطلاعات متعددی درباره این دسته از مواد می‌توان استخراج کرد، اما بسیاری از دانش‌پژوهان از قابلیت‌های TEM و نوع اطلاعاتی که این دستگاه می‌تواند درباره آئروژل‌ها ارائه کنند بی‌اطلاع هستند. به همین دلیل در این مقاله مودهای مختلف دستگاه TEM و اطلاعاتی که هر یک از این مودها می‌تواند درباره این دسته از مواد ارائه کند مورد برررسی قرار می‌گیرد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2-مطالعه میکروسکوپی آئروژل‌ها
3- انواع مودهای TEM در مطالعه آئروژل‌ها
4- بحث
1-4- پراش از ناحیه انتخابی
2-4- مود تاریک
3-4- تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا
4-4- تعیین ترکیب شیمیایی
5-4- میکروسکوپ الکترونی عبوری روبش (STEM)
6-4- تصویربرداری سه بعدی
7-4- روش‌های آماده‌سازی نمونه در آئروژل‌ها
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
9-نتیجه‌گیری
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2-مطالعه میکروسکوپی آئروژل‌ها
3- انواع مودهای TEM در مطالعه آئروژل‌ها
4- بحث
1-4- پراش از ناحیه انتخابی
2-4- مود تاریک
3-4- تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا
4-4- تعیین ترکیب شیمیایی
5-4- میکروسکوپ الکترونی عبوری روبش (STEM)
6-4- تصویربرداری سه بعدی
7-4- روش‌های آماده‌سازی نمونه در آئروژل‌ها
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
9-نتیجه‌گیری
1- مقدمه
آئروژل به موادی گفته می‌شود که در آنها یک گاز جایگزین مایع در ژل شده‌است، در نتیجه این جایگزینی، دانسیته محصول و هدایت گرمایی به شدت کاهش می‌یابد. به آئروژل‌ها، دود یخ‌زده، هوای جامد و دود آبی نیز گفته می‌شود. این دسته از مواد اولین بار در سال 1931 توسط ساموئل استفادن کیستلر ایجاد شد. برای تولید یک آئروژل باید مایع درون ژل با دقت از آن خارج شود به‌طوری که ساختار ماتریکس اصلی چروکیده نشده و حالت خود را حفظ کند[1].
اﻭﻟﻴﻦ ژﻝﻫﺎﻯ ﻣﻮﺭﺩ ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ ﺑﻪﻭﺳﻴﻠﻪﻯ کیستلر، ﺳﻴﻠﻴﻜﺎژﻝ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﺍﺯ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺗﺮﺍﻛﻤﻰ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎﺕ ﺳﺪﻳﻢ ﺩﺭ ﺷﺮﺍﻳﻂ ﺍﺳﻴﺪﻯ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻰﺷﻮﺩ. ﭼﻨﺪ ﺳﺎﻝ ﺑﻌﺪ ﺁﻗﺎﻯ کیستلر، ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺧﻮﺩ ﺭﺍ ﻣﺸﺨﺼﻪﺳﺎﺯﻯ ﻧﻤﻮﺩ ﻭ ﺳﭙﺲ ﻣﻮﻓﻖ ﺷﺪ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎﻯ ﺩﻳﮕﺮﻯ ﺍﺯ ﺟﻤﻠﻪ ﺁﻟﻮﻣﻴﻨﺎ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﺗﻨﮕﺴﺘﻦ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﺁﻫﻦ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﻗﻠﻊ، ﻧﻴﻜﻞ ﺗﺎﺭﺗﺎﺭﺍﺕ، ﺳﻠﻮﻟﺰ، ﻧﻴﺘﺮﺍﺕ ﺳﻠﻮﻟﺰ، ژﻻﺗﻴﻦ، ﺁﮔﺎﺭ(ﭘﻠﻰ ﺳﺎﻛﺎﺭﻳﺪﻫﺎ) ﻭ غیره ﺭﺍ ﺑﺴﺎﺯﺩ. ﭼﻨﺪ ﺳﺎﻝ ﺑﻌﺪ کیستلر ﺍﺯ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺟﺪﺍ ﺷﺪ ﻭ ﺑﺎ ﺷﺮﻛﺘﻰ ﺑﺎ ﻧﺎﻡ مونسانتو ﺷﺮﻭﻉ ﺑﻪ ﻫﻤﻜﺎﺭﻯ ﻧﻤﻮﺩ. ﺍﻳﻦ ﺷﺮﻛﺖ ﺑﺎﺯﺍﺭﻳﺎﺑﻰ ﺧﻮﺩ ﺭﺍ برای ﻓﺮﻭﺵ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺁﻏﺎﺯ ﻧﻤﻮﺩ. ﺩﺭ ﺁﻥ ﺯﻣﺎﻥ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎﻯ ﺍﺭﺍﺋﻪ ﺷﺪﻩ ﺍﺯ ﻧﻮﻉ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺑﻮﺩ ﻛﻪ ﺑﻪﺻﻮﺭﺕ ﮔﺮﺍﻧﻮﻝ ﺑﻪﻋﻨﻮﺍﻥ ﺍﻓﺰﻭﺩﻧﻰ ﻳﺎ ﻋﺎﻣﻞ ﺗﻴﻜﺴﻮﺗﺮﻭﭘﻴﻚ (ﺑﻪ ﭘﺪﻳﺪﻩ ﻛﺎﻫﺶ ﻭﻳﺴﻜﻮﺯﻳﺘﻪ ﻇﺎﻫﺮﻯ ﺳﻴﺎﻻﺕ، ﺗﺤﺖ ﺗﻨﺶ ﺑﺮﺷﻰ ﺛﺎﺑﺖ ﺑﺎ ﮔﺬﺷﺖ ﺯﻣﺎﻥ ﺗﻴﻜﺴﻮﺗﺮﻭﭘﻰ ﮔﻔﺘﻪ ﻣﻰﺷﻮﺩ) ﺩﺭ ﻟﻮﺍﺯﻡ ﺁﺭﺍﻳﺸﻰ ﻭ ﺧﻤﻴﺮﺩﻧﺪﺍﻥ ﻣﻮﺭﺩ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﻗﺮﺍﺭ ﻣﻰﮔﺮﻓﺖ. ﺩﺭ ﺳﻪ ﺩﻫﻪ ﺑﻌﺪ، ﺍﻗﺪﺍﻣﺎﺕ ﻣﻬﻢ ﻭ ﺣﺎﺋﺰ ﺍﻫﻤﻴﺘﻰ ﺭﻭﻯ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺍﻧﺠﺎﻡ ﻧﺸﺪ ﺗﺎ ﺍﻳﻨﻜﻪ ﺳﺮﺍﻧﺠﺎﻡ ﺩﺭ ﺳﺎﻝ 1960 ﺑﺎ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺍﺭﺯﺍﻥ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺑﻪ ﻓﺮﻡ ﺑﺨﺎﺭ ﺑﺎﺯﺍﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﻭ ﺑﻪ ﻛﺎﻫﺶ ﮔﺬﺍﺷﺖ ﻭ ﺷﺮﻛﺖ مونسانتو ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﺍ ﻣﺘﻮﻗﻒ ﻧﻤﻮﺩ. ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺗﺎ ﺳﺎﻝ 1970 ﺑﻪ ﻓﺮﺍﻣﻮﺷﻰ ﺳﭙﺮﺩﻩ ﺷﺪ. ﺩﺭ ﺳﺎﻝ 1970 ﺁﻗﺎﻯ استنیسلاس تیشنر ﻭ ﻫﻤﻜﺎﺭﺍﻧﺶ ﺍﺯ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ کلاد برنارد ﺩﺭ ﻟﻴﻮﻥ ﻓﺮﺍﻧﺴﻪ ﻣﻮﻓﻖ ﺷﺪﻧﺪ ﺭﻭﺵ ﺟﺪﻳﺪﻯ ﺑﻪﻏﻴﺮ ﺍﺯ ﺭﻭﺵ کیستلر ﺑﺮﺍﻯ ﺗﻬﻴﻪﺁﺋﺮﻭژﻝ ﻛﺸﻒ ﻛﻨﻨﺪ ﻭ ﺁﻥ ﺭﺍ ﺭﻭﺵ ﺳﻞ-ژﻝ ﻧﺎﻣﻴﺪﻧﺪ. ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺣﺎﻭﻯ ﺫﺭﺍﺗﻰ ﺑﻪ ﻗﻄﺮ 5-2 ﻧﺎﻧﻮﻣﺘﺮ ﻫﺴﺘﻨﺪ. ﺷﻴﻤﻰ ﺳﻄﺢ ﺩﺍﺧﻠﻰ ﻭﻳﮋﻩ ﺑﺎﻻ ﺩﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ، ﻧﻘﺶ ﺍﺳﺎﺳﻰ ﺭﺍ ﺩﺭ ﺑﺮﻭﺯ ﺭﻓﺘﺎﺭﻫﺎﻯ ﺑﻰﻧﻈﻴﺮ ﻓﻴﺰﻳﻜﻰ ﻭ ﺷﻴﻤﻴﺎﺋﻰ ﺁﻥﻫﺎ، ﺍﻳﻔﺎ ﻣﻰﻛﻨﺪ. ﻣﺎﻫﻴﺖ ﺳﻄﺢ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺗﺎ ﺣﺪ ﺯﻳﺎﺩﻯ ﺑﻪ ﺷﺮﺍﻳﻂ ﺗﻬﻴﻪ ﺁﻥﻫﺎ ﺑﺴﺘﮕﻰ ﺩﺍﺭﺩ. ﺑﻪﻋﻨﻮﺍﻥ ﻣﺜﺎﻝ ﺍﮔﺮ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺍﺯ ﻃﺮﻳﻖ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺧﺸﻚ ﻛﺮﺩﻥ ﺑﻪﻭﺳﻴﻠﻪ ﺍﻟﻜﻞ ﺗﻬﻴﻪ شود، ﮔﺮﻭﻩﻫﺎﻯ ﺁﻟﻜﻮﻛﺴﻰ (OR) ﺗﺸﻜﻴﻞﺩﻫﻨﺪﻩ ﺳﻄﺢ ﺁﻥ ﺍﺳﺖ ﻭ ﺩﺭ ﺍﻳﻦ ﺣﺎﻟﺖ ﺳﻄﺢ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺧﺎﺻﻴﺖ ﺁﺏﮔﺮﻳﺰﻯ ﭘﻴﺪﺍ ﻣﻰﻛﻨﺪ. ﺍﮔﺮ ﺗﻬﻴﻪ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺍﺯ ﻃﺮﻳﻖ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺩﻯﺍﻛﺴﻴﺪ ﻛﺮﺑﻦ ﺑﺎﺷﺪ ﺁﻧﮕﺎﻩ ﺳﻄﺢ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﺍ ﮔﺮﻭﻩﻫﺎﻯ ﻫﻴﺪﺭﻭﻛﺴﻴﻞ (OH) ﻓﺮﺍ ﻣﻰﮔﻴﺮﺩ ﻭ ﺧﺎﺻﻴﺖ ﺁﺏﺩﻭﺳﺖ ﭘﻴﺪﺍ ﺧﻮﺍﻫﺪ ﻛﺮﺩ ﻭ ﻣﺴﺘﻘﻴﻤﺎ ﻣﻰﺗﻮﺍﻧﺪ ﺭﻃﻮﺑﺖ ﻫﻮﺍ ﺭﺍ ﺟﺬﺏ ﻧﻤﺎﻳﺪ. ﺍﻟﺒﺘﻪ ﺑﺎ ﺣﺮﺍﺭﺕ ﺩﺍﺩﻥ ﻣﻰﺗﻮﺍﻥ ﺭﻃﻮﺑﺖ ﺟﺬﺏ ﺷﺪﻩ ﺭﺍ ﺍﺯ ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺣﺬﻑ ﻧﻤﻮﺩ[2].
اﻭﻟﻴﻦ ژﻝﻫﺎﻯ ﻣﻮﺭﺩ ﻣﻄﺎﻟﻌﻪ ﺑﻪﻭﺳﻴﻠﻪﻯ کیستلر، ﺳﻴﻠﻴﻜﺎژﻝ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﺍﺯ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺗﺮﺍﻛﻤﻰ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎﺕ ﺳﺪﻳﻢ ﺩﺭ ﺷﺮﺍﻳﻂ ﺍﺳﻴﺪﻯ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻰﺷﻮﺩ. ﭼﻨﺪ ﺳﺎﻝ ﺑﻌﺪ ﺁﻗﺎﻯ کیستلر، ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺧﻮﺩ ﺭﺍ ﻣﺸﺨﺼﻪﺳﺎﺯﻯ ﻧﻤﻮﺩ ﻭ ﺳﭙﺲ ﻣﻮﻓﻖ ﺷﺪ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎﻯ ﺩﻳﮕﺮﻯ ﺍﺯ ﺟﻤﻠﻪ ﺁﻟﻮﻣﻴﻨﺎ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﺗﻨﮕﺴﺘﻦ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﺁﻫﻦ، ﺍﻛﺴﻴﺪ ﻗﻠﻊ، ﻧﻴﻜﻞ ﺗﺎﺭﺗﺎﺭﺍﺕ، ﺳﻠﻮﻟﺰ، ﻧﻴﺘﺮﺍﺕ ﺳﻠﻮﻟﺰ، ژﻻﺗﻴﻦ، ﺁﮔﺎﺭ(ﭘﻠﻰ ﺳﺎﻛﺎﺭﻳﺪﻫﺎ) ﻭ غیره ﺭﺍ ﺑﺴﺎﺯﺩ. ﭼﻨﺪ ﺳﺎﻝ ﺑﻌﺪ کیستلر ﺍﺯ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺟﺪﺍ ﺷﺪ ﻭ ﺑﺎ ﺷﺮﻛﺘﻰ ﺑﺎ ﻧﺎﻡ مونسانتو ﺷﺮﻭﻉ ﺑﻪ ﻫﻤﻜﺎﺭﻯ ﻧﻤﻮﺩ. ﺍﻳﻦ ﺷﺮﻛﺖ ﺑﺎﺯﺍﺭﻳﺎﺑﻰ ﺧﻮﺩ ﺭﺍ برای ﻓﺮﻭﺵ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺁﻏﺎﺯ ﻧﻤﻮﺩ. ﺩﺭ ﺁﻥ ﺯﻣﺎﻥ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎﻯ ﺍﺭﺍﺋﻪ ﺷﺪﻩ ﺍﺯ ﻧﻮﻉ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺑﻮﺩ ﻛﻪ ﺑﻪﺻﻮﺭﺕ ﮔﺮﺍﻧﻮﻝ ﺑﻪﻋﻨﻮﺍﻥ ﺍﻓﺰﻭﺩﻧﻰ ﻳﺎ ﻋﺎﻣﻞ ﺗﻴﻜﺴﻮﺗﺮﻭﭘﻴﻚ (ﺑﻪ ﭘﺪﻳﺪﻩ ﻛﺎﻫﺶ ﻭﻳﺴﻜﻮﺯﻳﺘﻪ ﻇﺎﻫﺮﻯ ﺳﻴﺎﻻﺕ، ﺗﺤﺖ ﺗﻨﺶ ﺑﺮﺷﻰ ﺛﺎﺑﺖ ﺑﺎ ﮔﺬﺷﺖ ﺯﻣﺎﻥ ﺗﻴﻜﺴﻮﺗﺮﻭﭘﻰ ﮔﻔﺘﻪ ﻣﻰﺷﻮﺩ) ﺩﺭ ﻟﻮﺍﺯﻡ ﺁﺭﺍﻳﺸﻰ ﻭ ﺧﻤﻴﺮﺩﻧﺪﺍﻥ ﻣﻮﺭﺩ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﻗﺮﺍﺭ ﻣﻰﮔﺮﻓﺖ. ﺩﺭ ﺳﻪ ﺩﻫﻪ ﺑﻌﺪ، ﺍﻗﺪﺍﻣﺎﺕ ﻣﻬﻢ ﻭ ﺣﺎﺋﺰ ﺍﻫﻤﻴﺘﻰ ﺭﻭﻯ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺍﻧﺠﺎﻡ ﻧﺸﺪ ﺗﺎ ﺍﻳﻨﻜﻪ ﺳﺮﺍﻧﺠﺎﻡ ﺩﺭ ﺳﺎﻝ 1960 ﺑﺎ ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺍﺭﺯﺍﻥ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺑﻪ ﻓﺮﻡ ﺑﺨﺎﺭ ﺑﺎﺯﺍﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﻭ ﺑﻪ ﻛﺎﻫﺶ ﮔﺬﺍﺷﺖ ﻭ ﺷﺮﻛﺖ مونسانتو ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﺍ ﻣﺘﻮﻗﻒ ﻧﻤﻮﺩ. ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺗﺎ ﺳﺎﻝ 1970 ﺑﻪ ﻓﺮﺍﻣﻮﺷﻰ ﺳﭙﺮﺩﻩ ﺷﺪ. ﺩﺭ ﺳﺎﻝ 1970 ﺁﻗﺎﻯ استنیسلاس تیشنر ﻭ ﻫﻤﻜﺎﺭﺍﻧﺶ ﺍﺯ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ کلاد برنارد ﺩﺭ ﻟﻴﻮﻥ ﻓﺮﺍﻧﺴﻪ ﻣﻮﻓﻖ ﺷﺪﻧﺪ ﺭﻭﺵ ﺟﺪﻳﺪﻯ ﺑﻪﻏﻴﺮ ﺍﺯ ﺭﻭﺵ کیستلر ﺑﺮﺍﻯ ﺗﻬﻴﻪﺁﺋﺮﻭژﻝ ﻛﺸﻒ ﻛﻨﻨﺪ ﻭ ﺁﻥ ﺭﺍ ﺭﻭﺵ ﺳﻞ-ژﻝ ﻧﺎﻣﻴﺪﻧﺪ. ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺣﺎﻭﻯ ﺫﺭﺍﺗﻰ ﺑﻪ ﻗﻄﺮ 5-2 ﻧﺎﻧﻮﻣﺘﺮ ﻫﺴﺘﻨﺪ. ﺷﻴﻤﻰ ﺳﻄﺢ ﺩﺍﺧﻠﻰ ﻭﻳﮋﻩ ﺑﺎﻻ ﺩﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ، ﻧﻘﺶ ﺍﺳﺎﺳﻰ ﺭﺍ ﺩﺭ ﺑﺮﻭﺯ ﺭﻓﺘﺎﺭﻫﺎﻯ ﺑﻰﻧﻈﻴﺮ ﻓﻴﺰﻳﻜﻰ ﻭ ﺷﻴﻤﻴﺎﺋﻰ ﺁﻥﻫﺎ، ﺍﻳﻔﺎ ﻣﻰﻛﻨﺪ. ﻣﺎﻫﻴﺖ ﺳﻄﺢ ﺳﻴﻠﻴﻜﺎ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺗﺎ ﺣﺪ ﺯﻳﺎﺩﻯ ﺑﻪ ﺷﺮﺍﻳﻂ ﺗﻬﻴﻪ ﺁﻥﻫﺎ ﺑﺴﺘﮕﻰ ﺩﺍﺭﺩ. ﺑﻪﻋﻨﻮﺍﻥ ﻣﺜﺎﻝ ﺍﮔﺮ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺍﺯ ﻃﺮﻳﻖ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺧﺸﻚ ﻛﺮﺩﻥ ﺑﻪﻭﺳﻴﻠﻪ ﺍﻟﻜﻞ ﺗﻬﻴﻪ شود، ﮔﺮﻭﻩﻫﺎﻯ ﺁﻟﻜﻮﻛﺴﻰ (OR) ﺗﺸﻜﻴﻞﺩﻫﻨﺪﻩ ﺳﻄﺢ ﺁﻥ ﺍﺳﺖ ﻭ ﺩﺭ ﺍﻳﻦ ﺣﺎﻟﺖ ﺳﻄﺢ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺧﺎﺻﻴﺖ ﺁﺏﮔﺮﻳﺰﻯ ﭘﻴﺪﺍ ﻣﻰﻛﻨﺪ. ﺍﮔﺮ ﺗﻬﻴﻪ ﺁﺋﺮﻭژﻝﻫﺎ ﺍﺯ ﻃﺮﻳﻖ ﻓﺮﺁﻳﻨﺪ ﺩﻯﺍﻛﺴﻴﺪ ﻛﺮﺑﻦ ﺑﺎﺷﺪ ﺁﻧﮕﺎﻩ ﺳﻄﺢ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺭﺍ ﮔﺮﻭﻩﻫﺎﻯ ﻫﻴﺪﺭﻭﻛﺴﻴﻞ (OH) ﻓﺮﺍ ﻣﻰﮔﻴﺮﺩ ﻭ ﺧﺎﺻﻴﺖ ﺁﺏﺩﻭﺳﺖ ﭘﻴﺪﺍ ﺧﻮﺍﻫﺪ ﻛﺮﺩ ﻭ ﻣﺴﺘﻘﻴﻤﺎ ﻣﻰﺗﻮﺍﻧﺪ ﺭﻃﻮﺑﺖ ﻫﻮﺍ ﺭﺍ ﺟﺬﺏ ﻧﻤﺎﻳﺪ. ﺍﻟﺒﺘﻪ ﺑﺎ ﺣﺮﺍﺭﺕ ﺩﺍﺩﻥ ﻣﻰﺗﻮﺍﻥ ﺭﻃﻮﺑﺖ ﺟﺬﺏ ﺷﺪﻩ ﺭﺍ ﺍﺯ ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﺁﺋﺮﻭژﻝ ﺣﺬﻑ ﻧﻤﻮﺩ[2].
2-مطالعه میکروسکوپی آئروژل‌ها
ابزارهای مختلفی برای بررسی این ساختارها وجود دارد. میکروسکوپ الکترونی عبوری، ابزاری قوی برای تعیین این ساختار و ترکیبات مربوط به آن است که از آن می‌توان برای کسب اطلاعاتی در این حوزه از مقیاس‌های میکرو تا آنگستروم استفاده کرد. هیچ روش دیگری نمی‌تواند به اندازه TEM پیرامون آئروژل‌ها اطلاعات ارائه کند. بیشتر آئروژل‌های طبیعی را نمی‌توان به سادگی توسط TEM مطالعه کرد زیرا ساختاری شکننده با دانسیته پایین داشته و همچنین خواص الکتریکی و گرمایی آن نوعی مانع بر سر این راه محسوب می‌شود. به همین دلیل بیشتر مطالعات TEM در حوزه آئروژل‌ها محدود به تصویربرداری در مود میدان روشن آن هم در بزرگنماییهای پایین می‌شود که آن هم کافی نیست. اما اگر از روش‌های مختلف آماده‌سازی نمونه استفاده شود آنگاه می‌توان از تمام قابلیت‌های TEM، تصویربرداری با قدرت تفکیکی بالا و همچنین میدان تاریک گرفته تا تصویربرداری انرژی فیلتر شده، برای کسب اطلاعات از مواد آئروژل استفاده کرد.
با تمام این تفاصیل حتی با داشتن قدرتمندترین TEMها باز هم نیاز به ابزارهای دیگری برای بررسی آئروژل‌ها وجود دارد. جذب و واجذب نیتروژن به‌عنوان یکی از مهمترین ابزارهای بررسی اندازه و توزیع اندازه حفره‌ها در آئروژل‌ها شناخته می‌شود. همچنین برای بررسی توزیع اندازه ذرات می‌توان از دستگاه پرتو ایکس با زاویه کم و پراش نوترونی استفاده کرد. با این روش‌ها می‌توان پروفایل آماری و کمی از آئروژل‌ها به‌دست آورد. بنابراین برای بررسی آئروژل‌های جدید باید از ترکیب TEM و روش‌های دیگر بهره جست.
در این مقاله به بررسی کاربرد عملی TEM در بررسی آئروژل‌ها پرداخته می‌شود. تصاویر گرفته شده در این مقاله نیز با استفاده از دستگاه‌های TEM مختلف از جمله هیتاچی اچ 900، فیلیپس سی ام 30، فیلیپس سی ام 300 فیلد امیژن و ژئول2010 اف گرفته شده‌است.
با تمام این تفاصیل حتی با داشتن قدرتمندترین TEMها باز هم نیاز به ابزارهای دیگری برای بررسی آئروژل‌ها وجود دارد. جذب و واجذب نیتروژن به‌عنوان یکی از مهمترین ابزارهای بررسی اندازه و توزیع اندازه حفره‌ها در آئروژل‌ها شناخته می‌شود. همچنین برای بررسی توزیع اندازه ذرات می‌توان از دستگاه پرتو ایکس با زاویه کم و پراش نوترونی استفاده کرد. با این روش‌ها می‌توان پروفایل آماری و کمی از آئروژل‌ها به‌دست آورد. بنابراین برای بررسی آئروژل‌های جدید باید از ترکیب TEM و روش‌های دیگر بهره جست.
در این مقاله به بررسی کاربرد عملی TEM در بررسی آئروژل‌ها پرداخته می‌شود. تصاویر گرفته شده در این مقاله نیز با استفاده از دستگاه‌های TEM مختلف از جمله هیتاچی اچ 900، فیلیپس سی ام 30، فیلیپس سی ام 300 فیلد امیژن و ژئول2010 اف گرفته شده‌است.
3- انواع مودهای TEM در مطالعه آئروژل‌ها
تصاویر (1) تا (7) برای بررسی آئروژل‌ها با استفاده از میکروسکوپ TEM گرفته شده‌است. تصویر (1) مود میدان روشن از آئروژل سیلیکا است که با دستگاه ژئول 120 گرفته شده‌است. شکل (1-a) در حالت زیر فوکوس، (1-b) در حالت فوکوس شرزر و (1-c) در حالت فرای فوکوس گرفته شده‌است. شبه ذرات و برخی حفره‌ها در لبه نمونه قابل تشخیص هستند.
شکل (2) الگوی پراش از ناحیه انتخابی (SAD) از (2-a) آئروژل سیلیکای آمورف (2-b) آئروژل سیلیکای آمورف با پوششی از نانوسیم‌های RuO2 و (2-c) آئروژل اکسید آهن بلوری است. شکل (3) مقایسه مود میدان روشن معمولی است که در تصویر (3-a) با میدان تاریک و (3-b) که از یک آئروژل سیلیکای آمورف با پوششی از نانوسیم‌های RuO2 گرفته شده‌است. در تصویر(3) مود تاریک نقاط روشن مربوط به ذرات RuO2 هستند. شکل (4) تصویر با قدرت تفکیک بالا از (4-a) آئروژل سیلیکای آمورف (4-b) آئروژل اکسید آهن را نشان می‌دهد. شکل (5-a) طیف پرتو ایکس پراکنده کننده انرژی، (5-b) طیف از دست رفتن انرژی الکترون از آئروژل کامپوزیتی نانوذرات طلا و FeOx است. شکل (6-a) مود میدان روشن معمولی، (6-b) انرژی فیلتر شده و (6-c) نقشه ظرفیت آئروژل KσMNO2 را نشان می‌دهد. شکل (7) تصویر مود میدان روشن و میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا را از آئروژل کامپوزیتی نانوذرات طلا و FeOx نشان می‌دهد.
4- بحث
دستگاه‌های TEM جدید مودهای مختلفی را در اختیار کاربران قرار می‌دهد تا با آن به آنالیز جنبه‌های متفاوت نمونه بپردازند. ساده‌ترین و رایج‌ترین روش برای مطالعه آئروژل‌ها، مود میدان روشن است که در شکل (1) آمده است. از این نوع تصاویر می‌توان اطلاعات پایه درباره اندازه شبه ذرات، پیکربندی حفره‌ها و یکنواختی مورفولوژی سطح را به‌دست آورد. شبه ذرات به راحتی در این نوع تصاویر با اندکی تغییر در فوکوس دستگاه قابل مشاهده هستند (شکل‌های 1-a و 1-c). لبه‌های روشن و تاریک نمونه موسوم به لبه‌های فرسنل در این تصاویر دیده می‌شوند، در حالی که در فوکوس گاوسیون (شکل 1-b) قابل دیدن نیست. این لبه ماحصل برهم‌کنش نمونه با الکترون است، بنابراین نباید تصور کرد که آنها پوششی روی سطح هستند.
از آنجایی که ذرات خارجی و ذرات سازنده نمونه در اعماق مختلف نمونه قرار دارند در فوکوس‌های مختلف کمترین حاشیه را ایجاد می‌کنند، بنابراین با استفاده از یک سری فوکوس مختلف مانند آنچه که در شکل (1) مشاهده می‌شود، می‌توان مطالعه دقیق‌تری از ذرات داشت و رابطه آنها را در ماده کامپوزیتی به خوبی درک کرد.
از آنجایی که ذرات خارجی و ذرات سازنده نمونه در اعماق مختلف نمونه قرار دارند در فوکوس‌های مختلف کمترین حاشیه را ایجاد می‌کنند، بنابراین با استفاده از یک سری فوکوس مختلف مانند آنچه که در شکل (1) مشاهده می‌شود، می‌توان مطالعه دقیق‌تری از ذرات داشت و رابطه آنها را در ماده کامپوزیتی به خوبی درک کرد.
1-4- پراش از ناحیه انتخابی
پراش از ناحیه انتخابی، ابزاری مفید برای تعیین نوع نظم ساختاری فرآیند آئروژل است. این الگوی پراش از مواد آئروژل آمورف باید حاوی حلقه‌های درهم فرو رفته باشد(شکل 2-a). حلقه‌های نازک و پررنگ نشان‌دهنده وجود ماده غیرکریستالی است(شکل2-c). وجود نقاط روشن نیز حکایت از وجود ذرات کریستالی دارد که قطر آنها بین 2 تا 100 نانومتر است. وجود ذرات کریستالی درون یک ماده آمورف نیز منجر به حلقه‌های حاوی نقاط روشن می‌شود(شکل 2-b). براین اساس، این احتمال وجود دارد که ذرات کریستالی درون آئروژل وجود داشته باشد اما اثرات آن در الگوی پراش دیده نشود، مانند نانوذرات طلا به قطر 10 نانومتر در آئروژل کامپوزیتی سیلیکا-نانوذرات طلا. اما به‌طور کلی می‌توان گفت که وجود نقاط روشن و حلقه‌های تیز شاهدی بر وجود ساختار کریستالی است؛ اما برای عدم وجود ساختار کریستالی باید از تصاویری با قدرت تفکیک بالا استفاده کرد.
2-4- مود تاریک
مود تاریک، روش خوبی برای تعیین توزیع یک فاز کریستالی ویژه در یک ماده کامپوزیتی است(شکل 3). تصاویر مود تاریک با استفاده از الکترون‌های پراش یافته ایجاد می‌شود در حالی که برای به‌دست آوردن تصاویر مود روشن از الکترون‌های پراش یافته رو به جلو استفاده می‌شود. با قرار دادن یک اپرچر آبجکتیو در موقعیت مناسب و تغییر مود دستگاه به مود تاریک می‌توان پرتوهای پراش یافته ویژه‌ای را شکار کرد. مواد آئروژل در زاویه براگ پراش شدیدی ایجاد کرده و کاملا سفید دیده می‌شوند، بنابراین هر چیز به جز آنها تیره خواهد بود. دلیل این امر آن است که مواد کریستالی پراش براگ شدیدی دارند و مواد کریستالی با ساختار بلوری مختلف، دارای زاویه پراش مختلفی هستند؛ بنابراین به سرعت می‌توان دریافت که کدام ماده در تصویر تاریک متعلق به فاز کریستالی موردنظر است. در شکل (3-b) آئروژل سیلیکای آمورف به‌صورت تیره دیده می‌شود درحالی‌که نانوذرات کریستالی RuO2 که جهت‌گیری مشخصی دارد به‌صورت نقاط روشن قابل روئیت است. اگر در یک نمونه آئروژل تنها یک فاز کریستالی وجود داشته باشد، آنگاه ذرات در آن به‌صورت تیره دیده می‌شود. در نمونه آمورف تک فاز، تصویر مود تاریک کاملا تیره خواهد بود. بنابراین تصویر مود تاریک در مطالعه آئروژل برای اثبات کریستالی بودن نمونه انجام می‌شود و با استفاده از آن می‌توان اندازه کریستال‌ها را نیز مشخص کرد.
3-4- تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا
گاهی استفاده از کلمه تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا، نادرست تفسیر می‌شود چرا که در ذهن شنونده ممکن است تداعی‌گر تصویری باشد که قدرت تفکیک آن بهبود یافته است. اما در عمل این گونه نیست و تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا به تصویربرداری گفته می‌شود که در آن لبه‌های شبکه کریستالی ماده دیده شود که برای این کار لازم است قدرت تفکیک فضایی دستگاه حداقل 4/0 نانومتر باشد. در شکل (4) مثالی از این تصویر برای آئروژل‌های کریستالی و آمورف دیده می‌شود. از تصاویرHRTEM برای کاربردهای مختلف می‌توان استفاده کرد؛ برای مثال کریستالی یا آمورف بودن نمونه از طریق این تصاویر قابل شناسایی است همچنین ارتباط میان فازهای مختلف نمونه آئروژل قابل استنتاج است. از سوی دیگر امکان بررسی مواد کریستالی که دارای الگوی پراش مشابه هم هستند از طریق این تصاویر وجود دارد.
4-4- تعیین ترکیب شیمیایی
دو روش رایج برای تعیین ترکیب شیمیایی طیف‌سنجی پرتو ایکس انرژی پراکنده شده در شکل (5-a) و طیف‌سنجی انرژی الکترون از دست رفته در شکل (5-b) آمده است. با روش EDS می‌توان اطلاعات کمّی درباره غلظت عناصر سنگین‌تر از اکسیژن را به‌دست آورد. در مورد عناصری که از اکسیژن سنگین‌تر بوده و دارای پیک حداقل 1000 عدد بیشتر از پیش زمینه است، دقت اندازه‌گیری 30درصد است. با این حال این دقت بستگی به این دارد که آیا پیک‌ها با عناصر مختلف هم‌پوشانی داده‌اند. لازم به ذکر است که به جای استفاده از نرم‌افزار می‌توان از برخی دستگاه‌ها برای تقویت پیک‌ها استفاده کرد که این امر منجر به افزایش دقت نتایج می‌شود.
با تمام این توضیحات درصورت استفاده از دستگاه‌های EDS باید دقت زیادی داشت تا پیک‌ها با هم هم‌پوشانی نداشته و پیکی گم نشود. یکی از مزایای استفاده از EDS آن است که به راحتی می‌توان آلودگی یا مواد تقویت‌کننده را روی بدنه آئروژل مشاهده کرد که این امر در شکل (5-a) دیده می‌شود. در این تصویر حضور مس در نمونه قابل تایید است که منشاء این پیک، گرید مسی مورد استفاده در نگهدارنده نمونه است.
در برخی موارد نیز آنالیز EELS به‌عنوان مکملی برای نتایج EDS به کار گرفته می‌شود. EELS می‌تواند عناصر سبک را به‌صورت کمی مورد بررسی قرار دهد. نتایج EELS به همین جا محدود نمی‌شود بلکه اطلاعاتی را درباره پیوندهای نمونه، نظیر تفکیک پیوند سیگما از پی در نمونه کربنی و تعیین حالت اکسایش در نمونه‌های فلزی ارائه می‌دهد. آنالیز کمی EELS بسیار چالش برانگیزتر از آنالیز EDS است؛ دلیل این امر آن است که هیچ منطقی برای محاسباتی که در آن سطوح انرژی همه عناصر با دقت تعیین گردد وجود ندارد. در نتیجه می‌توان گفت که رایج‌ترین آنالیز EELS این است که از طیف‌های آن به‌عنوان اثر انگشت استفاده کرد و با مقایسه آن با طیف‌های موجود در مراجع، نمونه موردنظر را شناسایی کرد. شکل (5-b) تطابق خوبی با طیف رفرنس Fe2O3 دارد. در نتیجه می‌توان گفت از EELS در مطالعه آئروژل‌ها می‌توان برای تعیین پیوندهای کربنی و حالت اکسیداسیون فلزات استفاده کرد.
تصویربرداری انرژی فیلتر شده، که به میکروسکوپ الکترونی عبوری انرژی فیلتر شده شهرت دارد، سریع‌ترین راه برای تهیه نقشه ترکیب شیمیایی از نمونه است. در این روش الکترون‌هایی که به‌صورت انتخابی با بخشی از نمونه برخورد کرده‌اند برای تشکیل تصویر، مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌منظور افزایش کنتراست نمونه‌های ضخیم، از تصویر فیلترشده بدون از دست رفتن انرژی، استفاده می‌شود. در این حالت تمام الکترون‌هایی که به‌صورت غیرالاستیک پراش یافتند برای خلق تصویر استفاده می‌شود.شکل (6) تصاویری را از انرژی فیلتر شده آئروژل KσmnO2 در مودهای فیلتر شده و فیلتر نشده نشان می‌دهد. توزیع Mn در شکل (6-b) نشان داده شده‌است. این تصویر توسط الکترون‌هایی که در لبه L فلز Mn، انرژی خود را از دست داده‌اند تشکیل شده‌است. از این روش برای به‌دست آوردن توزیع U و O در آئروژل UO3 استفاده شده‌است. علاوه‌براین، از این روش می‌توان برای به‌دست آوردن حالت‌های اکسیداسیون و ظرفیت فلزات انتقالی گروه 3d و4d استفاده کرد(شکل 6-c)، در این شکل توزیع فضایی حالت‌های اشغال نشده d با استفاده از تصویربرداری انرژی فیلترشده پس از برخی پردازش‌های تصویری انجام شده‌است. قدرت تفکیک فضایی نهایی در این روش، با استفاده از فناوری TEM فعلی تقریبا 1 نانومتر است. بزرگترین مزیت روش EFTEM نسبت به پرتو ایکس، سرعت آن است. در کمتر از یک دقیقه می‌توان نقشه عنصری EFTEM را به‌دست آورد، این در حالی است که با استفاده از پرتو ایکس حداقل یک ساعت زمان نیاز است.
با تمام این توضیحات درصورت استفاده از دستگاه‌های EDS باید دقت زیادی داشت تا پیک‌ها با هم هم‌پوشانی نداشته و پیکی گم نشود. یکی از مزایای استفاده از EDS آن است که به راحتی می‌توان آلودگی یا مواد تقویت‌کننده را روی بدنه آئروژل مشاهده کرد که این امر در شکل (5-a) دیده می‌شود. در این تصویر حضور مس در نمونه قابل تایید است که منشاء این پیک، گرید مسی مورد استفاده در نگهدارنده نمونه است.
در برخی موارد نیز آنالیز EELS به‌عنوان مکملی برای نتایج EDS به کار گرفته می‌شود. EELS می‌تواند عناصر سبک را به‌صورت کمی مورد بررسی قرار دهد. نتایج EELS به همین جا محدود نمی‌شود بلکه اطلاعاتی را درباره پیوندهای نمونه، نظیر تفکیک پیوند سیگما از پی در نمونه کربنی و تعیین حالت اکسایش در نمونه‌های فلزی ارائه می‌دهد. آنالیز کمی EELS بسیار چالش برانگیزتر از آنالیز EDS است؛ دلیل این امر آن است که هیچ منطقی برای محاسباتی که در آن سطوح انرژی همه عناصر با دقت تعیین گردد وجود ندارد. در نتیجه می‌توان گفت که رایج‌ترین آنالیز EELS این است که از طیف‌های آن به‌عنوان اثر انگشت استفاده کرد و با مقایسه آن با طیف‌های موجود در مراجع، نمونه موردنظر را شناسایی کرد. شکل (5-b) تطابق خوبی با طیف رفرنس Fe2O3 دارد. در نتیجه می‌توان گفت از EELS در مطالعه آئروژل‌ها می‌توان برای تعیین پیوندهای کربنی و حالت اکسیداسیون فلزات استفاده کرد.
تصویربرداری انرژی فیلتر شده، که به میکروسکوپ الکترونی عبوری انرژی فیلتر شده شهرت دارد، سریع‌ترین راه برای تهیه نقشه ترکیب شیمیایی از نمونه است. در این روش الکترون‌هایی که به‌صورت انتخابی با بخشی از نمونه برخورد کرده‌اند برای تشکیل تصویر، مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌منظور افزایش کنتراست نمونه‌های ضخیم، از تصویر فیلترشده بدون از دست رفتن انرژی، استفاده می‌شود. در این حالت تمام الکترون‌هایی که به‌صورت غیرالاستیک پراش یافتند برای خلق تصویر استفاده می‌شود.شکل (6) تصاویری را از انرژی فیلتر شده آئروژل KσmnO2 در مودهای فیلتر شده و فیلتر نشده نشان می‌دهد. توزیع Mn در شکل (6-b) نشان داده شده‌است. این تصویر توسط الکترون‌هایی که در لبه L فلز Mn، انرژی خود را از دست داده‌اند تشکیل شده‌است. از این روش برای به‌دست آوردن توزیع U و O در آئروژل UO3 استفاده شده‌است. علاوه‌براین، از این روش می‌توان برای به‌دست آوردن حالت‌های اکسیداسیون و ظرفیت فلزات انتقالی گروه 3d و4d استفاده کرد(شکل 6-c)، در این شکل توزیع فضایی حالت‌های اشغال نشده d با استفاده از تصویربرداری انرژی فیلترشده پس از برخی پردازش‌های تصویری انجام شده‌است. قدرت تفکیک فضایی نهایی در این روش، با استفاده از فناوری TEM فعلی تقریبا 1 نانومتر است. بزرگترین مزیت روش EFTEM نسبت به پرتو ایکس، سرعت آن است. در کمتر از یک دقیقه می‌توان نقشه عنصری EFTEM را به‌دست آورد، این در حالی است که با استفاده از پرتو ایکس حداقل یک ساعت زمان نیاز است.
5-4- میکروسکوپ الکترونی عبوری روبش (STEM)
برخی میکروسکوپ‌های TEM امکان تصویربرداری با روبش الکترون در سطح نمونه را دارند، این میکروسکوپ‌ها کماکان قابلیت تصویربرداری رایج TEM را حفظ کرده‌اند. به این میکروسکوپ‌ها STEM گفته می‌شود، آنها می‌توانند مودهای میدان روشن و تاریک را ارائه دهند (شکل 7)، البته این مودها با مودهای میدان روشن و تاریک رایج از نظر کنتراست تفاوت دارند(شکل 3). کنتراست در تصاویر میدان روشن STEM تابعی از جرم و ضخامت نمونه است. نمونه‌های غیرکریستالی دارای کنتراست پراش ضعیفی در مود میدان روشن معمولی هستند اما در STEM کنتراست بهتری دارند. در میدان تاریک با زاویه حلقوی (HAADF) تصاویر STEM کنتراست، تابعی از عدد اتمی z است؛ بنابراین، این روش اغلب برای تولید تصاویر با کنتراست بالا از کاتالیست‌های فلزی با z کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال می‌توان از تصویربرداری Pt روی آئروژل کربنی نام برد. شناساگر STEM میدان تاریک حلقوی الکترون‌ها را از زوایای مختلف جمع‌آوری می‌کند این درحالی است که در تصاویر مود تاریک معمولی پرتوهای براگ ویژه‌ای جمع‌آوری می‌شوند. بنابراین ذرات سنگین در تصاویر HADDF و STEM به‌صورت روشن دیده می‌شوند.
6-4- تصویربرداری سه بعدی
تمامی روش‌هایی که تاکنون درباره آنها بحث شد منجر به تشکیل تصویر دو بعدی می‌شوند. با استفاده از تصویربرداری فضایی می‌توان اطلاعات سه بعدی از آئروژل‌ها به‌دست آورد. تصاویر فضایی به تصاویری گفته می‌شود که در اثر تیلت نمونه گرفته می‌شود. این تصاویر معمولا با چرخش 3 تا 7 درجه‌ای نمونه به‌دست می‌آید. اگر با عینک‌های ویژه‌ای به این تصاویر نگاه کنید می‌توانید تصویر سه بعدی نمونه را ببینید. محدودیت این روش برای مود میدان روشن آن است که در هنگام تیلت نمونه‌های کریستالی، تغییراتی در کنتراست تصویر ایجاد می‌شود. مطلوب آن است که بتوان حفره‌های موجود در آئروژل را به‌صورت کامل مشاهده کرده و سازماندهای سه بعدی آن را به تصویر کشید که اصولا توموگرافی الکترونی ابزار مفیدی برای این کار است. در این روش، تصاویر مختلفی از نمونه به‌صورت دو بعدی گرفته می‌شود که این تصاویر با چرخش اندکی در نمونه حاصل می‌شود. با کنار هم گذاشتن این تصاویر و با استفاده از یک نرم‌افزار، می‌توان تصویر سه بعدی از نمونه ترسیم کرد. حذف کنتراست و جابه‌جایی نمونه در این روش تصویربرداری بسیار دشوار است که یک محدودیت و چالش برای این روش محسوب می‌شود، این مشکل در نمونه‌های زیستی که کنتراست پراش کمی دارند حادتر است. اما با پیشرفت‌های اخیر در حوزه اتوماسیون کامپیوترهای متصل به میکروسکوپ این مشکل تا حدی تقلیل یافته است. احتمالا تا 5 سال آینده بتوان در توموگراقی HAADF به قدرت تفکیک فضایی زیر یک نانومتر که برای بررسی آئروژل‌ها ضروری است، رسید.
7-4- روش‌های آماده‌سازی نمونه در آئروژل‌ها
آماده‌سازی صحیح نمونه، تضمین‌کننده رسیدن به هدف مطلوب در تصویربرداری است. رایج‌ترین روش برای آماده‌سازی نمونه آئروژل برای تصویربرداری TEM، آسیاب کردن نمونه، دیسپرس کردن آن در یک حلال و در نهایت ریختن نمونه روی گرید کربن فیلم است. معمولا برای ممانعت از تجمع ذرات، از استون، الکل یا هگزان استفاده می‌شود. استفاده از این حلال‌ها ضروری نیست، در برخی موارد هم منجر به تغییر ساختار آئروژل می‌شود، گاهی هم به دلیل باقی گذاشتن ذرات هیدروکربنی منجر به آلودگی نمونه می‌شود. برای حذف این مشکلات بهتر است درصورت امکان، آئروژل را به روش خشک آسیاب کرد و در نهایت اگر استفاده از حلال ضروری است، حلال‌های مختلفی برای این کار تست شده و حلالی که تاثیر منفی در ساختار آئروژل ندارد، برای این کار انتخاب شود.
نوع گریدی که برای این کار انتخاب می‌شود بستگی به هدف آنالیز دارد. برای بزرگنماییهای کم میدان روشن، پراش از ناحیه انتخابی، اندازه‌گیری EDS می‌تواند از هر نوع گرید کربن فیلم استفاده کرد. اما برای HRTEM، EELS، EFTEM و HAADF گرید کربن فیلم هولی ساده مناسب است؛ دلیل این امر آن است که پایداری این نوع گریدها بیشتر از گریدهای پلیمری است، همچنین این نوع گریدها زمینه خالی در اختیار کاربر قرار می‌دهند تا آنالیز موردنظر را انجام دهد.
آئروژل‌های کامپوزیتی که دارای مواد آلی حساس یا نانوذرات کوچک هستند نسبت به حلال یا آسیاب کردن حساس بوده به‌طوری که خطر جدا شدن نانوذره یا ماده آلی از بدنه آئروژل وجود دارد. در این موارد بهتر است بخشی از نمونه با استفاده از چاقوی تیزی برش خورده و درون یک اپوکسی رسانا قرار گیرد و درنهایت روی گرید گذاشته شود. از آنجایی که چنین نمونه‌ای برای تصویربرداری بسیار ضخیم است لذا باید به قدری نازک شود که پرتو الکترونی از آن عبور کند. در تصویربرداری از این نمونه‌ها امکان باردار شدن سطح وجود دارد که برای کاهش این بار می‌توان از اپرچر آبجکتیو استفاده کرد. این اپرچر می‌تواند بار سطح را متعادل کند. لازم به ذکر است که وجود دوربین دیجیتال می‌تواند مشکل گرم شدن و ناپایداری گرمایی را در نمونه‌های آئروژل کاهش دهد زیرا درصورت استفاده از دوربین دیجیتال پرتو با شدت کم برای تصویربرداری مورد نیاز است که این موضوع گرم شدن نمونه را به حداقل می‌رساند.
یک روش دیگر برای کاهش مشکل برهم‌کنش پرتو با نمونه، این است که از روی نمونه یک نسخه کپی تهیه شود و به جای خود نمونه کپی آن مورد استفاده قرار گیرد. تهیه این نوع کپی‌ها در آماده‌سازی نمونه‌های زیستی و پلیمر بسیار رایج است[3].
نوع گریدی که برای این کار انتخاب می‌شود بستگی به هدف آنالیز دارد. برای بزرگنماییهای کم میدان روشن، پراش از ناحیه انتخابی، اندازه‌گیری EDS می‌تواند از هر نوع گرید کربن فیلم استفاده کرد. اما برای HRTEM، EELS، EFTEM و HAADF گرید کربن فیلم هولی ساده مناسب است؛ دلیل این امر آن است که پایداری این نوع گریدها بیشتر از گریدهای پلیمری است، همچنین این نوع گریدها زمینه خالی در اختیار کاربر قرار می‌دهند تا آنالیز موردنظر را انجام دهد.
آئروژل‌های کامپوزیتی که دارای مواد آلی حساس یا نانوذرات کوچک هستند نسبت به حلال یا آسیاب کردن حساس بوده به‌طوری که خطر جدا شدن نانوذره یا ماده آلی از بدنه آئروژل وجود دارد. در این موارد بهتر است بخشی از نمونه با استفاده از چاقوی تیزی برش خورده و درون یک اپوکسی رسانا قرار گیرد و درنهایت روی گرید گذاشته شود. از آنجایی که چنین نمونه‌ای برای تصویربرداری بسیار ضخیم است لذا باید به قدری نازک شود که پرتو الکترونی از آن عبور کند. در تصویربرداری از این نمونه‌ها امکان باردار شدن سطح وجود دارد که برای کاهش این بار می‌توان از اپرچر آبجکتیو استفاده کرد. این اپرچر می‌تواند بار سطح را متعادل کند. لازم به ذکر است که وجود دوربین دیجیتال می‌تواند مشکل گرم شدن و ناپایداری گرمایی را در نمونه‌های آئروژل کاهش دهد زیرا درصورت استفاده از دوربین دیجیتال پرتو با شدت کم برای تصویربرداری مورد نیاز است که این موضوع گرم شدن نمونه را به حداقل می‌رساند.
یک روش دیگر برای کاهش مشکل برهم‌کنش پرتو با نمونه، این است که از روی نمونه یک نسخه کپی تهیه شود و به جای خود نمونه کپی آن مورد استفاده قرار گیرد. تهیه این نوع کپی‌ها در آماده‌سازی نمونه‌های زیستی و پلیمر بسیار رایج است[3].
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2014، شماره 5 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده TEM وSTEM در روی لینک زیر کلیک کنید [4].
| نام دستگاه |
| میکروسکوپ الکترونی عبوری |
| میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی |
9-نتیجه‌گیری
استفاده از دستگاه TEM در مطالعه آئروژل‌ها، اطلاعات مفیدی مانند توزیع ذرات و حفرات سطح آن را فراهم می‌کند اما از آنجایی که هدایت گرمایی و الکتریکی آئروژل‌ها کم است، در حالت میدان روشن نمی‌توان تمام اطلاعات موردنظر را به‌دست آورد. از این رو روش‌های دیگری مانند HRTEM، EFTEM، EELS و HAADF می‌تواند برای استخراج اطلاعات مختلف در این زمینه به کار گرفته شود.
منابـــع و مراجــــع
۱ – http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
۲ – http://www.nano.ir/papers/attach/820.pdf
۳ – Rhonda M. Stroud , Jeffrey W. Long, Jeremy J. Pietron, Debra R. Rolison Journal of Non-Crystalline Solids 350 (2004) 277–284
۴ – فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2014 و شماره 5
