CRPS:新型電子顯微技術揭示成核普適規律

2021-01-08 澎湃新聞
CRPS：新型電子顯微技術揭示成核普適規律

2021-01-06 21:52 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創 Cell Press CellPress細胞科學

物質科學Physical science

近日，麻省理工學院Evelyn N. Wang教授團隊與上海交通大學鄭平院士團隊合作，利用一種全新的相位增強環境掃描電子顯微技術（p-ESEM），首次實現了微納尺度冷凝液滴成核點分布的直接探測，並且發展出一套完備的成核點分布的統計理論。該研究進一步展示了成核點分布規律在水蒸氣冷凝、電化學析氫反應、以及固體材料沉積生長等過程中的普適性，從而揭示看似截然不同的宏觀物理化學過程的微觀共性。相關成果發表在Cell Press旗下期刊Cell Reports Physical Science，題為「Nucleation Site Distribution Probed by Phase-Enhanced Environmental Scanning Electron Microscopy」。該研究為理解成核點分布的物理本質提供了重要的實驗和理論基礎，同時為高性能的材料製備和系統設計提供指導思路。

背景介紹

成核（nucleation）是一個廣泛存在於自然界和工業生產的物理過程。微納尺度的成核點分布決定了包括冷凝、沸騰、凝固、結晶、電化學、催化、以及氣相沉積等複雜物理過程的宏觀性質。因此，對於成核點基本性質的深入研究不僅可以提升對基礎物理過程的理解，更能為諸如強化相變傳熱，高效電解析氫，以及提升固態材料性質等前沿工程應用領域提供新的設計思路。然而，由於直接探測技術的欠缺和相關統計理論的不完備，成核點數量和空間的統一分布規律尚未被完全揭示。

相位增強環境掃描電子顯微技術（p-ESEM）

環境掃描電子顯微鏡（ESEM）是一種能夠直接探測氣相環境中微納尺度物理過程的電子顯微技術。相比於需要維持高度真空環境的傳統電子顯微鏡，環境掃描電子顯微鏡可以直接探測存在於氣體壓力環境中的諸如流體，高分子材料，以及生化材料等絕緣物質。因此，環境掃描電子顯微鏡極大的擴展了傳統電子顯微鏡的工作範圍，並且在物理、化學、生物以及材料科學領域得到廣泛應用。然而，由於氣相環境的存在，用於探測的電子束會被氣體分子散射，致使電子成像的解析度和對比度極大地降低，從而無法直接探測到微納尺度的成核點分布。當氣相環境壓力上升到大約1000 Pa的時候，物質的有效信息往往會完全被電子散射帶來的噪聲信號所淹沒，致使探測過程徹底失效。為提升傳統環境掃描電子顯微鏡性能，研究團隊開發出一種名為相位增強環境掃描電子顯微技術（p-ESEM）新型技術。這一顯微技術通過提取原始圖像在時域內的動態信息，重構電子在界面散射過程中的相位變化（如圖1），使電子在氣體環境中的成像解析度和對比度大幅提升（如圖2），從而使環境掃描電子顯微鏡具備了直接探測成核點分布的能力。

▲圖1. 相位增強環境掃描電子顯微鏡（p-ESEM）的工作原理和成像過程

▲圖2. 傳統環境掃描電子顯微鏡（左）和相位增強環境掃描電子顯微鏡（右）對成核點分布的成像效果對比。

成核點分布的統一規律

通過對不同情況下成核點分布的直接測量，研究團隊發現成核點在數量上滿足泊松分布而在空間上滿足瑞利分布（如圖3）。研究團隊發展了一套完備的統計理論進一步驗證了實驗結果（如圖3）。通過對水蒸氣冷凝、電解水、以及化學氣相沉積生長二維材料成核點分布的實驗和理論對比，研究團隊發現得到的成核點的泊松數量分布和瑞利空間分布在不同物理化學過程中具有普適性，從而從本質上揭示了成核過程的一般規律（如圖4）。結合統計理論和隨機過程模擬，研究團隊將成核點分布規律拓展至任意空間維度，為不同工況下的成核過程提供理論支撐。

圖3. 成核點的數量分布（A-C）和空間分布規律（D-E）。

▲圖4. 成核點分布在水蒸氣冷凝（A）、電解水（B）以及化學氣相沉積生長二維材料（C）中的普適性。

小結

本文提出了一種結合相位增強環境掃描電子顯微技術（p-ESEM）的直接探測成核點分布的實驗方法。結合實驗表徵和統計理論，研究團隊首次對成核點的數量及空間分布進行了系統和完備的分析，從而揭示了複雜物理化學過程中成核的一般普適規律。本文的研究結論不僅可以用於理解基本的成核過程，而且可以被廣泛用於指導由成核所主導的各類工業過程的優化與設計。

第一作者：Lenan Zhang、Ryuichi Iwata

通訊作者：Evelyn N. Wang、鄭平

通訊單位：麻省理工學院、上海交通大學

撰稿：Lenan Zhang、Yang Zhong

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，點擊「閱讀原文」查看論文

▌論文標題：

Nucleation Site Distribution Probed by Phase-Enhanced Environmental Scanning Electron Microscopy

▌論文網址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30284-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100262

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