電子顯微鏡在出土古代紡織材料檢測中的應(yīng)用

電子顯微鏡在出土古代紡織材料檢測中的應(yīng)用

電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用顯微鏡技術(shù)的發(fā)展是其他科學(xué)技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)。17世紀60年代出現(xiàn)的光學(xué)顯微鏡引發(fā)了巨大的變革，將人類的觀賞業(yè)務(wù)進入微觀世界，創(chuàng)造了許多新領(lǐng)域進入人類研究領(lǐng)域，促進了許多學(xué)科的建立和發(fā)展。20世紀30年代，電子顯微鏡技術(shù)進一步擴展了人類的觀察領(lǐng)域，導(dǎo)致了許多新學(xué)科和新技術(shù)的出現(xiàn)?？梢哉f，現(xiàn)代科學(xué)研究對電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用有很大的依賴性。特別是在納米技術(shù)、材料技術(shù)和生命科學(xué)技術(shù)的研究方面，電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用是罕見的，不能使用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。同時，電子顯微鏡技術(shù)本身也得到了很大的發(fā)展。從最初的電子顯微鏡、電子顯微鏡隧道電子顯微鏡、原子力電子顯微鏡、離子電導(dǎo)率電子顯微鏡、電子顯微鏡等先進儀器的應(yīng)用廣泛用于科學(xué)研究、化學(xué)、科學(xué)研究和科學(xué)研究，這些先進的工具在紡織、原材料、紡織檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用。本文簡要介紹了電子顯微鏡在古代紡織檢測中的應(yīng)用。電子顯微鏡在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用20世紀30年代,德國科學(xué)家諾爾(M.knoll)和盧斯卡(E.Ruska)在電子光學(xué)的基礎(chǔ)上,研制出了世界上第一臺透射式電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,TEM,簡稱透射電鏡),成功地得到了用電子束拍攝的銅網(wǎng)像,盡管放大倍數(shù)只有12倍,但它為以后電鏡的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).此后經(jīng)過科學(xué)家們半個多世紀的努力和改進,透射電鏡的分辨本領(lǐng)現(xiàn)已達到了0.1nm~0.2nm,幾乎能分辨所有的原子.此后又相繼出現(xiàn)了能直接觀察樣品表面立體結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM,簡稱掃描電鏡),其分辨率為3nm~6nm和能進行活體觀察的超高壓電鏡,實現(xiàn)了人們直接觀察生物大分子結(jié)構(gòu)和重金屬原子圖像的愿望.我國的電鏡研制工作從20世紀50年代開始,至今已成功地研制出一系列各種形式的電鏡.目前,電子顯微鏡的應(yīng)用與物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、計算機等學(xué)科發(fā)生了緊密的聯(lián)系,在材料、冶金、輕工、紡織、醫(yī)藥以及國防尖端科學(xué)等領(lǐng)域,得到了越來越廣泛的應(yīng)用.電子顯微鏡觀察也已從形態(tài)學(xué)分析逐步提高到定性、定量分析水平,從而更加擴大了電子顯微鏡的應(yīng)用范圍.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,極大地促進了電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展,近幾年來,大量新型、高功能的電子顯微鏡投入使用,為科技研究工作提供了強有力的支持,促進了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步.下面對目前使用較為普遍的幾種先進電子顯微鏡作一簡單介紹.掃描電鏡特點掃描式電子顯微鏡中的電子束,在樣品表面上動態(tài)地掃描,以一定速度,逐點逐行地掃描樣品的表面.樣品逐點地發(fā)出帶有形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分信息的二次電子,這些電子由檢測器接收處理,最后在屏幕上顯示形態(tài)畫面.圖像為間接成像,其加速電壓為1kV~30kV.掃描電鏡大體可分為:鏡體、樣品室、真空系統(tǒng)、二次電子檢測器及圖像顯示和攝影部分.其分辨率一般為3nm~6nm,放大倍數(shù)可從幾十倍連續(xù)調(diào)節(jié)到幾十萬倍,樣品制備比較簡單,適應(yīng)性強,以樣品表面觀察法為主,此外還有冷凍割斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察法.圖像景深長,層次豐富,立體感強,為三維結(jié)構(gòu)像.廣泛應(yīng)用于樣品表面及其斷面立體形貌的觀察,并具有多種分析功能.圖1是掃描電鏡的原理圖.掃描隧道顯微鏡Microscope,STM)G.Binnig和H.Rohrer在1981年研制成功掃描隧道顯微鏡,并因此獲得1986年諾貝爾物理獎.掃描隧道顯微鏡(STM)是利用導(dǎo)體針尖與樣品之間的隧道電流,并用精密壓電晶體控制導(dǎo)體針尖沿樣品表面掃描,從而能以原子尺度記錄樣品表面形貌的新型儀器.其分辨率已達到1nm~2nm,用它可研究各種金屬、半導(dǎo)體和生物樣品的表面形貌,也可研究表面沉積、表面原子擴散、表面粒子的成核和生長,吸附和脫附等.掃描隧道顯微鏡是在五維空間提供信息,即實際空間、隧道電流I和隧道電壓V,因此可以有多種成像模式.原子力顯微鏡.原子力顯微鏡是Binnig等人在1986年提出的,將掃描隧道顯微鏡的工作原理和針式輪廓曲線儀原理結(jié)合,制成了原子力顯微鏡.圖2是原子力顯微鏡的原理圖.圖中針尖端上的原子與樣品表面上的原子之間有相互作用力:靜電力、范德瓦爾斯力等.作用力的大小與它們之間的距離有某種反比例關(guān)系.力的大小可以檢測,并且力的大小影響隧道電流的變化,從而當(dāng)針尖端在樣品表面上移動時,因其尖端上的原子受到樣品表面上的原子作用而引起隧道電流的變化,進而給出樣品表面輪廓的信息,因此可以顯示出樣品的表面形貌.spm的基本原理掃描探針顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是20世紀80年代以來迅速發(fā)展起來的納米科技,特別是納米測量學(xué)、納米表征與測量方法中最重要最基本的手段.其工作原理是:以尺寸為原子級的非常細的探針和被測樣品表面作為工作的主要元件;用靈敏度可達0.5nm/V的壓電陶瓷在X和Y兩個方向上完成探針與樣品之間的相對運動(掃描),用探針在Z方向的升降來模擬樣品表面的起伏;用探針與樣品間的相互作用所產(chǎn)生的物理量的數(shù)值隨樣品表面起伏的變化來調(diào)制顯示器的灰度,從而達到觀察樣品表面形貌的目的.按照樣品與探頭移動(即掃描)方式不同,SPM一般又可以分為樣品掃描式和探頭掃描式兩種.這種儀器分辨率高,橫向分辨率可達0.1nm,縱向分辨率可達0.01nm,可以直接觀察分子或原子;可以測定樣品的三維圖像,測定如晶體缺陷、晶體夾雜、微小顆粒、超細粉末、氣孔、凹坑等;可以在大氣、真空甚至液體中,在高溫或低溫下進行觀測.檢測時可以不與樣品接觸,故不會損傷樣品,檢測時不需要電子束照射,也不會對樣品造成輻射損傷等.電子顯微鏡檢測電子顯微鏡具有極高的分辨率和快速準確的觀測等優(yōu)點,使得它廣泛地應(yīng)用于紡織品檢測,從最新型紡織材料的研制到最終紡織產(chǎn)品的生產(chǎn),從古老的出土紡織文物到最新上市的流行服裝,都可以使用電子顯微鏡進行檢測與鑒定.表面理化性能的測量隨著紡織科技的不斷發(fā)展,新型紡織材料層出不窮,在新型紡織材料的研制過程中,需要對新材料進行觀察、檢測和鑒定.為達到紡織品對材料的各種要求,在研制過程中就需要了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分和各種理化性能.通過電子顯微鏡的觀察,不僅可以知道紡織材料的表面特征,也可以知道材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,進而可以判定其許多理化性能指標(biāo),指導(dǎo)進一步的材料研制工作.對于出土紡織品,首先就需要確定其所使用的紡織材料的種類、特點、結(jié)構(gòu)和性能,通過電鏡觀測,基本可以準確鑒定.圖3是現(xiàn)代桑蠶絲纖維電鏡橫截面投影圖;圖4是出土紡織樣品的纖維電鏡橫截面投影圖.比較兩圖明顯可見,這是同一種纖維,也就是說出土紡織樣品的材料是桑蠶絲.當(dāng)然,有時對于紡織材料品種的鑒定還需要借助其他方法,但電子顯微鏡準確快速的觀測鑒定有其獨到的優(yōu)點,所以被廣泛使用.電子顯微鏡測試織物的結(jié)構(gòu)與紡織品的性能、外觀形態(tài)和紡織工藝有著密切的關(guān)系,對它們之間關(guān)系的深入了解,有助于提高紡織品的設(shè)計、制造水平,對改進紡織工藝也有著十分重要的作用.特別是對于出土紡織品的織物結(jié)構(gòu)的研究,還可以用來判定出土文物的年代、使用的紡織工具以及織造工藝.由于中國古代的紡織品許多是絲綢織物,結(jié)構(gòu)細密、工藝復(fù)雜,使用電子顯微鏡能夠進行準確快速的觀測,織物結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)清楚明顯,對于古代紡織品的研究和鑒定有著不可替代的作用.圖5為出土絲織品的結(jié)構(gòu)與組織電鏡圖.電子顯微鏡測試纖維與紗線是紡織品的基本組成部分,其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)對紡織品具有十分重要的影響,對纖維的研究是紡織科技研究的最重要的一個方面,新材料的研究、制造和鑒定,都是從纖維開始.紗線的結(jié)構(gòu)和性能決定了紡織品的性能和外觀形態(tài),對紡織品結(jié)構(gòu)也有一定的影響.使用電子顯微鏡對纖維和紗線的性能、結(jié)構(gòu)以及組成進行研究,有助于深入了解紡織材料的基本特征,加快新型紡織材料的設(shè)計與制造,可以指導(dǎo)紡織產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā).在出土紡織材料的研究方面,纖維和紗線的電鏡觀測是經(jīng)常使用的一種方法,它能快速準確地鑒定古代紡織品的年代以及所使用的材料、工藝和技術(shù).對于紡織品經(jīng)過不同處理之后的變化,也可以通過電鏡觀察相應(yīng)的纖維形態(tài)進行研究,進而對處理工藝的效果和影響有一個直觀準確的認識,可以指導(dǎo)改進處理工藝.圖6是對棉纖維進行不同的處理之后的電鏡圖.電子顯微鏡觀察染整是紡織品的后處理工藝,它對紡織品的外觀形態(tài)、色澤、性能以及穿著舒適性有著重要的作用,染整之后的紡織品的各項特性都在微觀上具有一定的體現(xiàn).通過電子顯微鏡對紡織品的染整工藝進行微觀觀察,有助于了解染整對紡織品的作用情況,進而指導(dǎo)改進染整工藝.對于出土紡織品,對其進行染整工藝的電子顯微鏡觀察,可以用來鑒定古代的各項染整工