Оглавление
Введение
Глава 1. Электронная микроскопия высокого разрешения в исследовании наноматериалов: преобразование Фурье и моделирование изображений.
Глава 2. Особенности низкоразмерных систем.
2.1. Фосфаты кальция как нанодисперсные биоматериалы: структура и образование.
2.2 Нанокомпозиты на основе частиц металлов (неметаллов), стабилизированных полимерами.
Глава 3. Методы и материалы.
3.1. Методы электронной микроскопии.
3.1.1. Оборудование, используемое в исследовании методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения.
3.1.2. Компьютерное обеспечение для количественной обработки.
3.1.3. Интерпретация электронно-микроскопических данных с помощью моделирования.
3.1.3.1 Моделирование размерного эффекта.
3.1.3.2. Учёт отклонения от точной ориентировки (наклон кристалла).
3.1.3.3. Учет атомных колебаний, вибраций и смещения образца.
3.1.3.4. Нахождение корреляции между экспериментальными и моделированными ВРЭМ изображениями.
3.1.4. Сканирующая электронная микроскопия.
2
5
18
41
42
60
65
65
65
66
68
70
75
78
79
80
2
3.1.5. Рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия для химического анализа в электронной микроскопии.
3.2. Материалы и приготовление образцов.
3.2.1. Фосфаты кальция, синтезируемые из водных растворов при низких температурах.
3.2.2. Высокотемпературные керамики и пористые материалы на основе гидрокисапатита, синтезируемого из водных растворов.
3.2.3. Сухой синтез: осаждение гидроксиапатита из газовой плазмы на подложки и получение высокотемпературных трикальцийфосфатов.
3.2.4. Биологический гидроксиапатит: костная ткань и минеральная фаза на сердечных клапанах.
3.2.5. Наночастицы селена и серебра в различных органических матрицах-стабилизаторах.
Глава 4. Особенности морфологии и структуры
кристаллов гидроксиапатита и октакальций фосфата, осаждаемых из водных растворов в разных условиях.
4.1. Низкотемпературная кристаллизация гидроксиапатита и октакальций фосфата.
4.2. Образование смешанных кристаллов гидроксиапатит / октакальций фосфат, ориентационные соотношения между фазами, морфология и атомная структура.
4.3. Проявление размерного эффекта на картинах рентгеновской и электронной дифракции.
4.4. Моделирование ВРЭМ изображений для определения толщины кристаллов.
4.5. Особенности структуры «толстых» кристаллов гидроксиапатита: появление запрещенных отражений на электронограммах.
4.6. Сравнение с данными рентгенофазового порошкового анализа смесей, содержащих гидроксиапатит и октакальций фосфат.
4.7. Влияние электронного облучения на состояние кристаллов гидроксиапатита и октакальций фосфата. Пределы энергодисперсионного рентгеновского анализа.
Краткое обобщение результатов Главы 4.
Глава 5. Высокотемпературные модификации фосфатов кальция.
5.1. Высокотемпературные пористые и твердые биоматериалы на основе гидроксиапатита, синтезированного в низкотемпературных растворах.
5.2. Особенности структуры плазменных покрытий гидроксиапатита на металлических подложках, на поверхностях монокристаллов хлорида натрия и фторида бария.
5.3. Образование фаз при высокотемпературном спекании трикальций фосфатов.
Краткое обобщение результатов Главы 5.
Глава 6. Биоминерализация: характеризация
минеральной фазы в костной ткани и в осадках на сердечных клапанах.
6.1. Строение костной ткани: структура, морфология и текстура нанокристаллов гидроксиапатита.
6.2. Электронная микроскопия минеральных осадков на сердечных клапанах: морфология частиц и фазовая
идентификация. Модель патологической минерализации клапанов.
Краткое обобщение результатов Главы 6. 180
Глава 7. Влияние различных органических матриц на 182
структуру наночастиц селена и серебра.
7.1. Электронная микроскопия наночастиц серебра. 182
7.2. Электронная микроскопия наночастиц селена. 188
Краткое обобщение результатов Главы 7. 203
Заключение 205
Список литературы 211
5
ВВЕДЕНИЕ.
Просвечивающая электронная микроскопия является в настоящее время наиболее эффективным и универсальным методом исследования материалов. Электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ) исторически явилась первым методом, реально обеспечивающим визуализацию структуры объектов с атомным разрешением, во многих случаях являясь единственным источником получения информации о внутренней структуре и структуре границ раздела многих нанообъектов. Успех в использовании электронного зонда в просвечивающей электронной микроскопии определяется рядом факторов. Электронный пучок легко фокусируется с помощью линз, что позволяет исследовать локальную структуру в нанообластях. Преимуществом электронной микроскопии является также возможность получения количественной информации как в обратном (электронная дифракция), так и в прямом пространстве (электронно-микроскопические изображения с высоким разрешением). Кроме того, современный просвечивающий электронный микроскоп оборудован различными детекторами, что открыло новые возможности для локального количественного химического анализа. Устранение механических, тепловых и электрических нестабильностей в приборах, использование автоэлектронных источников с размером кроссовера (виртуального источника электронов) порядка 10 нм и яркостью примерно в тысячу раз выше, чем обычный У-образный вольфрамовый катод позволило достичь теоретического предела разрешающей способности микроскопа. При высоком разрешении микроскоп становится электронным интерферометром, а полученные экспериментальные изображения с высоким разрешением - электронной интерференционной картиной. Поскольку для подавляющего большинства образцов не существует простой аналитической связи между изображением с высоким разрешением и кристаллической структурой образца, то для интерпретации полученных данных требуется проведение
5
компьютерного моделирования. В настоящее время созданы и постоянно совершенствуются мощные компьютерные программы для моделирования и количественного анализа изображений с регулярной (нерегулярной) структурой, включая фурье-преобразование и фильтрацию. Моделирование проводится для заданных электроно-оптических параметров (ускоряющее напряжение, величина сферической и хроматической аберраций, угол расходимости пучка) и предполагаемых или точно известных кристаллической структуры образца и его оси зоны при изменяемых значениях толщины и дефокусировки. После чего рассчитанные и экспериментальные изображения сравниваются, и кристаллическая структура подтверждается или опровергается, оценивается толщина исследуемого образца, определяются его дефекты. Развитие математического метода - быстрого преобразования Фурье электронно-микроскопических изображений с высоким разрешением -предоставило возможность количественной характеризации нанофаз, когда образцом становится само изображение.
Наноматерилы, как природные, так и искусственные, составляют в настоящее время огромное поле для исследования их структуры с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Особенностью нанообъектов является наличие размерных эффектов, т.е. зависимость их свойств от размера и появление новых свойств. Известны такие явления, как изменение теплоемкости, давления паров, температуры плавления, оптических, магнитных и электронных свойств. Например, последнее свойство наряду с высоким отношением поверхности к объему частицы и увеличенным числом краев и граней приводит к повышенной активности и селективности во время каталитических реакций.
Динамично развиваются в настоящее время технологии по получению нанокомпозитов на основе металлических (неметаллических) наночастиц, диспергированных и стабилизированных в органических матрицах в/на структурированных или мезопористых подложках. Важным
6
направлением в данной области является создание отвечающих современным требованиям биоматериалов. Например, нанокомпозит Ag/пoлимep нашел свое применение в качестве нового эффективного бактерицидного средства, большие перспективы в фармакологии у композитов на основе наночастиц элементарного селена. Функциональность и устойчивость таких средств определяется структурой компонент, и любое изменение биологической активности связано с изменением состояния наночастиц, химических реакций и фазовых переходов, контроль за которыми может быть осуществлен методами ВРЭМ.
Природным нанокомпозитом является костная ткань, в состав которой входят коллагеновые волокна с нанокристатлами фосфата кальция - гидроксиапатита. Организация костной ткани, структура, размеры и морфология нанокристаллов - компетенция ВРЭМ.
В качестве искусственных костных заместителей создаются все более эффективные биоматериалы на основе разных фосфатов кальция. В этом ряду - гидроксиапатит, а- и (3-трикальций фосфаты, дикальций фосфат, а также керамики, включающие комбинации фосфатов кальция в разных соотношениях для достижения требуемых параметров (растворимости, механических свойств). Осуществление контроля над фазовым составом таких материалов требуется не только во время и после изготовления кальций фосфатного биокомпозита, но и после его взаимодействия с водой или биологическими жидкостями, для исключения образования побочных продуктов из-за наличия малых концентраций примеси. По данным рентгеноструктурного анализа к настоящему времени известно порядка 20 кальций фосфатных модификаций (без включения в это число соединений с различными катионными или анионными заместителями). Эти соединения подвергаются физическо-химическим превращениям в биологических жидкостях, что приводит в разной степени к изменениям pH, концентраций ионов кальция и фосфат ионов, уровня
7
пересыщения и, соответственно, образования и осаждения кристаллов. На практике идентификация фаз осложняется чрезвычайной близостью параметров кристаллических структур разных фосфатов кальция, малыми размерами и морфологическими особенностями.
В электронной микроскопии существует несколько путей исследования нано-объектов, выбор которых диктуется природой материала. Нанодифракция или электронная дифракция в сходящемся пучке есть прямой метод определения структуры и фазового состава наночастицы. Однако, для исследования перечисленных объектов, а именно: всех фосфатов кальция и наночастиц в органических матрицах данный метод не является подходящим из-за радиационной нестойкости образцов. Под действием сфокусированного пучка в пробу диаметром 2-3 нм нанокристалл или органическая матрица разрушается раньше, чем может быть получена картина нанодифракции. К параллельному пучку электронов в режиме ВРЭМ такие материалы толерантны в течение времени, необходимого для записи изображений, хотя и требуют очень низкой интенсивности. Поэтому для таких особо чувствительных к электронному облучению материалов методы количественной обработки с помощью преобразования Фурье ВРЭМ изображений, а также их моделирование являются наиболее эффективными при интерпретации экспериментальных данных и получения информации о структуре, фазовом составе и морфологии нанокристаллов.
Необходимость структурно-морфологического исследования мелкодисперсных систем потребовала разработки новых подходов в моделировании ВРЭМ изображений и картин электронной дифракции. Проведенное в настоящей работе исследование наноструктуры биоматериалов стимулировало ряд выполненных в 1996-2004 г. изменений и введение дополнительных функций в созданную ранее программу JEMS, существенно расширяющих возможности и области её применения.
8
С другой стороны, анализ наноструктур помог установить механизмы протекания химических и биологических процессов, и выявить корреляцию между структурой веществ и условиями их формирования, определить оптимальные параметры приготовления требуемых материалов и корректного их использования.
Целью диссертационной работы являлось развитие и определение потенциальных возможностей количественных методов электронной микроскопии высокого разрешения (ВРЭМ) для характеризации нанофаз в биоматериалах, включая моделирование размерного эффекта на картинах электронной дифракции, установления влияния наклона образца на распределение контраста на ВРЭМ изображениях, установления влияния структурных особенностей кристаллов на появление запрещенных рефлексов.
Методы моделирования как ВРЭМ изображений, так и картин электронной дифракции, полученных от материалов с большой низкосимметричной элементарной ячейкой и значительным числом разных атомов (до 400) потребовали изменений в пользовательском интерфейсе, чтобы оптимизировать время расчетов и рациональное использование оперативной памяти.
Необходимость структурно-морфологического исследования продуктов синтеза гидроксиапатита в процессе осаждения потребовала разработки новых подходов в анализе результатов ВРЭМ при характеризации мелкодисперсных систем. Эффективность и работоспособность подходов были протестированы на ряде других материалов: трикальций фосфатах, октакальций фосфате, селене и его соединениях, серебре и его соединениях. Ряд выполненных в 1996-2004 г. изменений в программе моделирования и создание дополнительных функций, существенно расширяющих возможности и области применения, был стимулирован настоящим исследованием наноструктуры биоматериалов.
9
На основе экспериментальных данных определялась корреляция между структурой нанообъектов, относящихся к классу биоматериалов, механизмов их образования и биоактивности. Измерения методами ВРЭМ дополнялись исследованием с помощью рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС), а также рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для получения информации о фазовом составе в целом от мелкодисперсного образца и для сравнения морфологии различных кристаллов в макромасштабе.
При этом большинство экспериментов в диссертационной работе было выполнено впервые. Основное внимание уделялось практически неисследованным областям, например, изучению образцов, полученных при кристаллизации из пересыщенных кальций фосфатных в условиях невесомости. Также впервые были получены и исследованы чистые кристаллы октакальций фосфата, выяснены причины появления сильного диффузного рассеяния на картинах рентгеновской и электронной дифракции от нанокристаллов гидроксиапатита и проведено моделирование размерного эффекта.
Впервые выявлено влияние некоторых органических субстанций на кристаллизацию уже сформировавшихся и стабилизированных в растворах наночастиц селена.
Актуальность темы.
Задачи, рассматриваемые в диссертации, представляют фундаментальный интерес в исследовании структуры материалов на наноуровне и механизма роста кристаллов, что тесно связано с актуальной проблемой исследования и создания наноструктур, развития нанотехнологий. Многолетние исследования показали, что эффективность, доступность и безопасность создаваемых новых материалов в области химии катализа, биомедицины и фармакологии напрямую зависят от уровня методов характеризации исходных веществ и применения компьютерного мониторинга. Именно таким живым проблемам посвящено
10
большое число международных симпозиумов и конференций как, например, 14-ая международная конференция по росту кристаллов в Гренобле (2004 г.), 13-й европейский симпозиум по электронной микроскопии в Антверпене (2004 г.) 16 международный симпозиум по биоматериалам в Порто (Bioceramics 16 2003г.), 2-ой Объединенный конгресс европейского общества по кальцифицированным тканям и Международного общества исследования костной ткани в Женеве (ECTS -IBMS, 2005), 16 Международный конгресс по микроскопии в Саппоро (IMC16, 2006) и т.д.
Научная новизна.
Разработаны подходы к исследованию влияния размеров кристаллов на появление диффузного рассеяния на картинах электронной дифракции. Соответствующая программа моделирования размерного эффекта внесена в версию программы JEMS. Это позволило выявить причины сильного диффузного рассеяния на электронограммах и сравнить с уширением максимумов на рентгеновских дифрактограммах.
Усовершенствована программа моделирования ВРЭМ изображений, в которой учтены отклонения от точной оси зоны на любой угол, случайные вибрации и дрейф образца для поиска более точного соответствия расчётных и экспериментальных изображений. Результатом проведённой модификации стала возможность надёжной идентификации нанофаз (размер кристаллитов или областей порядка 5 нм). Определены толщины естественных кристаллов гидроксиапатита и относительная разориентация нанозерен в кристаллах, установлены причины появления запрещенных рефлексов с ростом толщины.
Создана программа построения сверхячейки анизотропного кристалла и образования структурной модели изотропной сферической частицы.
Впервые проведены исследования микро- и наноструктуры кристаллов гидроксиапатита и октакальций фосфата, выращенных в
11
условиях микрогравитации и выявлены различия в морфологии, размерах и структуре кристаллов, полученных в разных режимах смешивания исходных растворов. Впервые получены и исследованы чистые и большие (несколько миллиметров длиной) кристаллы октакальций фосфата.
Исследована структура смешанных кристаллов гидроксиапатит / октакальций фосфат, впервые установлены ориентационные кристаллографические соотношения между двумя фазами, вычислены напряжения в кристаллах.
Определена наноструктура слоев гидроксиапатита, полученных плазменным осаждением на подложки.
Определена устойчивость кальций фосфатных биоматериалов, полученных при высоких температурах. Впервые выявлено образование оксида кальция СаО во время спекания и приготовления пористого костного биозаместителя на основе а-Са3Р04 при температуре 1430°С, которая значительно ниже температуры, определённой фазовой диаграммой в системе Са0-Рг05 и равной 1720°С.
Исследована структура нормальной и патологически измененной костной ткани и получены изображения отдельных нанокристаллов гидроксиапатита на коллагеновых волокнах, оценены их размеры в трех направлениях.
Исследован фазовый состав минерального осадка на сердечных клапанах и предложена модель его образования.
Проведена характеризация образующихся нанофаз под влиянием внешних условий и определена устойчивость нанокомпозитов на основе органической стабилизирующей матрицы с внедрёнными частицами селена и серебра.
Впервые обнаружен и описан эффект кристаллизации внутри рыхлых бесструктурных наночастиц селена, синтезированных в водных растворах с помощью окислительно-восстановительной реакций и стабилизированных в разных органических средах.
12
Практическая значимость работы.
Главным практическим результатом, полученным в работе, является обоснование применения комбинации методов по идентификации фазового состава в наномасштабе на основе количественной обработки ВРЭМ изображений с помощью преобразования Фурье и моделирования ВРЭМ изображений от радиационно-чувствительных объектов, оценка толщины естественных (не утонченных) нанокристаллов.
Установлены закономерности изменений наноструктуры и морфологии кристаллов гидроксиапатита и октакальций фосфата в зависимости от скорости смешивания исходных растворов, температуры кристаллизации.
Определены условия для получения нанокристаллических гидроксиапатитных покрытий из плазмы газового разряда на различных подложках. Результаты исследования структуры как осаждающихся из растворов кристаллов гидроксиапатита, так и плазменных покрытий на подложках, актуальны с точки зрения производства эффективных и безопасных биоимплантатов, так и выяснения механизмов патологических отклонений в живых организмах.
Предложен механизм биоактивности бактерицидных средств, включающих наночастицы серебра, в основе которого химическое взаимодействие серебра с серосодержащими агентами в окружающей среде и в организмах, установлены причины недостаточной эффективности медицинских препаратов с наночастицами селена в органических средах.
Всё это способствовало прояснению различий и сближению позиций между химическими, биологическими, медицинскими подходами с одной стороны и физическими подходами в получении и интерпретации результатов, с другой стороны.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:
1. Комбинированный метод по идентификации нанокристаллов и нанофаз в разных биокомпозитах с помощью преобразования Фурье и
13
моделирования электронной дифракции и электронномикроскопических изображений с высоким разрешением - программы для моделирования ВРЭМ изображений с учетом отклонения от точной оси зоны, атомных вибраций, дрейфа образца; создания сверхячейки анизотропного кристалла; образования структурной модели изотропной сферической частицы; исследования зависимости уширения дифракционных максимумов с уменьшением размера частиц.
Результаты экспериментальных исследований наноструктуры, морфологии и размеров кристаллов гидроксиапатита, синтезируемых в водных растворах в условиях конвективного смешивания реагентов, в диффузионном режиме смешивания в невесомости и в случае принудительного смешивания с разными скоростями при низких (25-40°С) и высоких (95°С) температурах.
Установление зависимости и определение толщины малорастворимых в воде кристаллов от температуры растворов. Обнаружение запрещенных гексагональной симметрией отражений в кристаллах гидроксиапатита благодаря локальному разупорядочению в их структуре.
Обнаружение размерного эффекта на электронограммах и его моделирование на примере нанокристаллов гидроксиапатита; сравнение электронографических и рентгенодифракционных данных. Результаты экспериментального исследования наноструктуры смешанных кристаллов гидроксиапатита / октакальций фосфата: определение кристатлографических ориентационных соотношений и напряжений.
Результаты экспериментального исследования наноструктуры плазменных покрытий гидроксиапатита на различных подложках: определение фазового состава, размеров и относительной ориентации нанокристаллов в покрытиях.
7. Результаты экспериментального исследования наноструктуры и устойчивости кальций фосфатных биоматериалов, полученных при высоких температурах. Впервые выявлено образование оксида кальция во время спекания и приготовления пористого костного биозаместителя на основе а-Са3Р04 при температуре 1430°С.
8. Результаты сравнительной характеризации здоровой костной ткани и образцов с патологическими изменениями; модельное представление механизма снижения минеральной плотности кости и развития деструктивных процессов.
9. Результаты экспериментального исследования - определение фазового состава минеральной фазы, осаждающейся на сердечных клапанах, структуры, морфологии, размеров кристаллов в осадке. Модельное представление механизма патологической минерализации мягких тканей в живых организмах.
10. Обнаружение эффекта кристаллизации наночастиц селена под действием органических веществ. Анализ экспериментальных данных с помощью структурного моделирования наночастиц селена.
11. Обнаружение продуктов химического взаимодействия наночастиц серебра с реагентами из окружающей среды. Модельное представление механизма бактерицидной активности наночастиц Ag.
Апробация работы:
Результаты работы были представлены на следующих конференциях:
1. 9th European Symposium Gravity-Dependent Phenomena in Physical Science. Berlin, Germany, 2-5 May 1995;
2.16 Российская конференция по электронной микроскопии,
Черноголовка, 29 ноября-2 декабря 1996;
3. 26th International School on Electron Crystallography, Erice, Italy, May 22-June 2,1997;
4. 17 Российская конференция по электронной микроскопии.
Черноголовка, 15-18 июня 1998;
15
5. 12th International Conference on Crystal Growth, Jerusalem, Israel 26-31 July, 1998;
6. 18th International Congress of the International Union of Crystallography, Glasgow, Scotland 4th-13th August, 1999;
7. 18 Российская конференция по электронной микроскопии,
Черноголовка, 5 июня - 8 июля, 2000;
8. 9 национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2000, Москва,
16-20 октября 2000;
9. First International Symposium on Microgravity Research and Applications in Physical Sciences and Biotechnology. Sorrento, Italy, 10-15 Sept. 2000;
10.11th Interdisciplinary Research Conference on Biomaterials (GRIBOI).
Calais, France, 8-9 March 2001;
11.4th International Conference: Single Crystal Growth and Heat and Mass Transfer. Obninsk, Russia, 24-28 September 2001;
12. Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar “Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology” St Petersburg, Russia,
May 27-29,2002;
13.10 национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2002,
Москва, 24-29 ноября 2002;
14. Gordon Research Conference on BIOMINERALIZATION. New London, USA, August 2002;
15. 9th General meeting of the Swiss Society for Biomaterials. Neuchatel, Switzerland, May 14-15,2003;
16.5th International Conference: Single Crystal Growth and Heat and Mass Transfer. Obninsk, Russia, 22-26 September 2003;
17.16th International Conference on Bioceramics, Porto, Portugal, November, 7-10,2003;
18.4-ая Национальная конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов - РСНЭ-2003, Москва, 17-22 ноября 2003;
16
19. XX Российская конференция по электронной микроскопии, Черноголовка, 31 мая-4 июня, 2004;
20.13 European Congress on Electron Microscopy. Antwerp, Belgium, 23-28 August, 2004;
21. 14th International Conference on Crystal Growth. 9-13 August 2004, Grenoble, France;
22.2nd Joint Meeting of the European Calcified Tissue Society (ECTS) and the International Bone and Mineral Society (IBMS), Geneva, Switzerland, 24-29 June 2005;
23. XX International Congress of the International Union of Crystallography, Florence, Italy, 23-31 August, 2005.
24. 16th International Microscopy Congress (IMC16), Sapporo, Japan, 5-9 Sept. 2006.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ, включая 22
статьи в реферируемых журналах и сборниках научных трудов, 24 тезиса
конференций, перечисленных в общем списке литературы.
17
Глава 1. Электронная микроскопия высокого разрешения в
исследовании наноматериалов: преобразование Фурье и моделирование изображений (по литературным данным).
Получение в настоящее время современных наноматериалов, к которым относят ультрадисперсные порошки, коллоиды, тонкие плёнки, нанополимеры, катализаторы, нанобиоматериалы, нанополупроводники, нанопористые материалы, многочисленные углеродные наноструктуры [1-7], потребовало соответствующих новым технологиям методов исследования вплоть до атомного уровня, которые позволяют контролировать структурное состояние создаваемых материалов. Ключевая роль в проведении локального анализа материалов принадлежит аналитической просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [8-16] с привлечением количественной компьютерной обработки получаемых изображений и компьютерного моделирования.
Обычно экспериментальная электронная микроскопия наноразмерных объектов включает установление морфологии, размеров, химического и фазового состава и представляет собой комбинацию методов: 1) получение изображений с высоким разрешением, 2) микро- и нанодифракция, 3) рентгеновский энергодисперсионный анализ с использованием тонкого нанозонда, 4) спектроскопия энергетических потерь электронов. Две первые методики дают информацию о структуре и локальном фазовом составе, с помощью двух других методик определяется химический состав, электронное состояние образца. Интерпретация экспериментальных данных включает следующие методы электронной микроскопии: количественный анализ электронной дифракции, ВРЭМ изображений и спектров и их моделирование для заданных параметров.
В любом электронно-микроскопическом исследовании приходится учитывать радиационную неустойчивость образцов к электронному пучку, а в случае таких наноматериалов, как наночастицы, диспергированные в
18
органических матрицах, это влияние может оказаться критическим. Для радиационно-нестойких образцов метод нанодифракции или электронной дифракции в сходящемся пучке не является информативным, поскольку образцы разрушаются раньше, чем может быть получена электронограмма. В этом случае фазовый анализ на наноуровне необходимо проводить с помощью дифрактограмм (преобразования Фурье), полученных от ВРЭМ изображений, когда уже само изображение становится образцом. Электронный пучок при ВРЭМ исследовании остаётся параллельным (не фокусируются в очень тонкую пробу как для дифракции в сходящемся пучке), и образец становится толерантным к электронному облучению в течение приемлемого временного периода. Поскольку рентгеновский энергодисперсионный анализ в настоящее время стал абсолютно рутинным, быстрым методом с хорошей компьютерной поддержкой, то комбинация ВРЭМ изображений, дифрактограмм и рентгеновского энергодисперсионного анализа является весьма информативной для наноструктурного и морфологического исследования.
Данная комбинация электронно-микроскопических методов использовалась в настоящей работе, что обеспечило возможность полной характеризации фаз (структура, размеры, ориентация) как тонких (толщиной до одного параметра решётки) нанокристаллов НАР, так и нанозерен в более толстых кристаллах, провести исследование наночастиц серебра и селена в органических матрицах, а также продуктов химического взаимодействия наночастиц с другими реагентами в различных средах с предварительным энергодисперсионным микронализом образцов.
Таким образом, в настоящем обзоре основное внимание уделено принципам высокоразрешающей просвечивающей микроскопии, количественной обработке и моделированию этих изображений.
Существует огромное количество публикаций, посвященнных как фундаментальным вопросам формирования изображения, так и особенностям конструкций микроскопов и перспективам развития
19
- Київ+380960830922