材料性能的奧秘往往隱藏在納米級(jí)分辨率的顆粒秩序中。想象一下，當(dāng)你需要剖析共價(jià)有機(jī)框架（COF）薄膜的晶界分布，但它們脆弱如瓷，遇水轟塌，遇電子束便損傷殆盡，研磨拋光便化為粉末，怎么辦？不怕！一項(xiàng)源自生命科學(xué)的精密技術(shù) --- 超薄切片，正在成為破解材料構(gòu)效關(guān)系的“金鑰匙"。

技術(shù)核心：什么是超薄切片技術(shù)？

超薄切片技術(shù)，是借助超薄切片機(jī)（如Leica UC Enuity）配合特制的玻璃或鉆石刀具，將樣品精準(zhǔn)切割成5 -100 nm的極薄片層。由此獲得的切片不但均勻平整，而且電子透明區(qū)域大，充分滿足電子束穿透及高分辨率成像的嚴(yán)苛需求，輕松實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)在納米尺度上的高保真可視化。超薄切片，本質(zhì)上是一個(gè)在高精度控制下完成的斷裂與滑移過(guò)程：當(dāng)樣品自上而下通過(guò)鋒利堅(jiān)硬的刀刃時(shí)，厚度不足百納米的材料剪切變形，從基塊上剝脫。對(duì)于軟質(zhì)材料，這一過(guò)程表現(xiàn)為穩(wěn)定可控的“微切削"；而對(duì)于硬脆樣品，則更接近于一種“受控?cái)嗔?。整個(gè)過(guò)程看似簡(jiǎn)單粗放，實(shí)則暗藏精妙平衡：在設(shè)備穩(wěn)定性、刀刃鋒銳度與樣品內(nèi)聚力三者的微妙協(xié)調(diào)下，原本看似破壞性的切削，在納米尺度上演化為精密有序剝離，最終誕生出納米級(jí)平整的超薄片。

圖1. 超薄切片過(guò)程，樣品臂依靠重力下落，攜樣品通過(guò)鉆石刀完成一次超薄切片。

核心價(jià)值：為什么選擇超薄切片？

如果說(shuō)在生物領(lǐng)域，超薄切片是為了觀察“生命"，那么在材料領(lǐng)域，超薄切片就是為了揭示“性能"的起源。

首先，它能攻克“硌尥"樣品的制樣困境。當(dāng)前材料研發(fā)早已超越單一均質(zhì)體，如高分子共混物、多項(xiàng)涂層等都是典型的軟硬共混體系。傳統(tǒng)磨拋容易造成其軟相涂抹和硬相脫落，離子減薄則可能因選擇性濺射產(chǎn)生偽影。亦如廣泛應(yīng)用于催化、氣體吸附、藥物釋放等領(lǐng)域多孔晶體材料，其性能優(yōu)勢(shì)高度依賴于納米級(jí)的特征尺寸，但機(jī)械強(qiáng)度差、對(duì)電子束和水氧敏感等特性，無(wú)論是傳統(tǒng)的機(jī)械研磨減薄，亦或是常規(guī)的聚焦離子束（FIB）切片，均無(wú)法在保持其結(jié)構(gòu)完整性的前提下完成高質(zhì)量的樣品制備。相比之下，超薄切片則通過(guò)在常溫或低溫下精準(zhǔn)機(jī)械切割，確保樣品結(jié)構(gòu)完整性，真實(shí)保留其各相本征形態(tài)及兩相界面結(jié)構(gòu)，結(jié)合電鏡，助力研究者直接“看到"結(jié)構(gòu)與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其次，超薄切片適配多種高分辨表征手段，提供多模態(tài)關(guān)聯(lián)分析可能。其不僅專屬于TEM制樣，同樣也能制備用于超高分辨表面形貌成分檢測(cè)、光譜表征等所需的平整端面和半薄片，這種“一次制樣，多機(jī)分析"的能力，單次制樣利益的同時(shí)增加數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)性。

圖2. 超薄切片術(shù)滿足多種制樣需求。

再者，超薄切片是電鏡三維重構(gòu)的基礎(chǔ)。通過(guò)連續(xù)超薄切片和電鏡序列圖像采集，可在納米尺度重構(gòu)材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，如納米顆粒團(tuán)聚體空間分布、裂紋網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展路徑等。這種從二維到三維的跨越，為建立材料結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、理解材料失效機(jī)制、優(yōu)化制備工藝提供全新視角。

當(dāng)然，超薄切片術(shù)也有自身的局限性，當(dāng)材料硬度較高（僅略低于鉆石）或尺寸過(guò)大時(shí)，考慮到鉆石刀具安全性，不建議使用超薄切片的手段，否則刀具和樣品均易受損。

技術(shù)要點(diǎn)：材料超薄切片有什么講究？

目前，盡管Leica最新款超薄切片機(jī)UC Enuity自動(dòng)化程度高，易上手，但要獲得高質(zhì)量的材料切片或截面，仍需注重各種細(xì)節(jié)，正如國(guó)際超薄切片技術(shù)專家Helmut Gn?gi所言 “Every details is important." 

如果你正為某些材料樣本的電鏡制樣工作頭大，想試試超薄切片卻不知從何下手？下面總有一條能幫到你！

做造型

塊狀或片裝樣品可直接夾持進(jìn)行超薄切片，但需關(guān)注規(guī)范修塊后樣品的端面尺寸。一般，切片厚薄和樣品端面尺寸正相關(guān)，端面尺寸越小越能順利獲得超薄片。回憶一下，您的樣品是否總在切片時(shí)蜷縮、黏連？先試試看縮小端面尺寸！而對(duì)于松散顆粒、柔細(xì)纖維，輕盈薄膜而言，則需要先用樹(shù)脂包埋，為其打造一副“鎧甲"，在規(guī)則化樣品形狀的同時(shí)，提供必要的機(jī)械支撐，防止其在切片中破碎或變形。

圖3. 兩種常用于材料樣品的包埋方法。

選溫度

超薄切片技術(shù)憑借其制樣真實(shí)、快速且無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)靡于高分子聚合物表征前處理工作中。然而在實(shí)操中，技術(shù)人員會(huì)遇到樣品被拉扯、難成切片的問(wèn)題，這通常是由于未正確選擇的切片溫度范圍所致。高分子材料的機(jī)械切片行為高度依賴于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg, 可通過(guò)差式掃描量熱法DSC測(cè)出)。就像切凍肉比切鮮肉更容易獲得厚度一致的薄片一樣，當(dāng)切片溫度高于材料的Tg時(shí)，聚合物處于高彈態(tài)，質(zhì)地較軟，在切割時(shí)極易壓縮形變，出現(xiàn)卷曲拉絲或無(wú)法成片；反之，在略低于Tg的溫度下切片，會(huì)使材料超微結(jié)構(gòu)不被破壞的同時(shí)使其表現(xiàn)出脆性，而易于獲得高質(zhì)量的超薄片；當(dāng)然，溫度不是越低越好，溫度過(guò)低會(huì)使樣品脆性增加，切片更易破碎。下次再遇到類似難題，不妨將切片溫度降到樣品的Tg以下10℃ 試一試。

圖4. 左：PS-b-PI使用Leica UC Enuity低溫下制備30-40 nm超薄切片的透射電鏡圖；右：PS-b-PMMA使用Leica UC Enuity常溫下制備60 nm超薄切片的透射電鏡圖。

調(diào)參數(shù)

超薄切片參數(shù)通常包括：切片速度和切片厚度，兩者共同調(diào)控切片過(guò)程中的應(yīng)力。一方面，它們與刀具壽命相關(guān)，每把切片鉆石刀都有推薦的切片速度與厚度上限，幫助延長(zhǎng)刀具使用壽命。另一方面，它們與切片質(zhì)量直接掛鉤，切片速度和厚度在超薄切片中反饋為刀具切割樣品產(chǎn)生的力，樣品受力越小，更易獲得平整順滑的薄片；反之，樣品被“撕扯"，切片蜷縮甚至破碎。因此，為獲取更高質(zhì)量的切片，可嘗試降低切片參數(shù)。

但“嘗試"二字往往意味心理負(fù)擔(dān)，這恰恰體現(xiàn)出超薄切片術(shù)制樣迅速的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于Leica UC Enuity而言，可在切片過(guò)程中隨時(shí)參數(shù)調(diào)整，切片機(jī)即刻響應(yīng)并反饋結(jié)果，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多輪優(yōu)化。但對(duì)于質(zhì)地較硬的材料而言，略微提高切片速度、降低切片厚度可提供足夠切割動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)從“切不動(dòng)"到“切得出"的跨越。

Leica UC Enuity ：全面應(yīng)對(duì)材料科學(xué)切片挑戰(zhàn)！

超薄切片是在納米尺度推進(jìn)的高精過(guò)程，專業(yè)設(shè)備的穩(wěn)定性自然至關(guān)重要。幾十年間，徠卡一直著眼于“重力切片"追求切片穩(wěn)定性，為各領(lǐng)域科研工作者交上滿意答卷。考慮到電鏡技術(shù)發(fā)展逐步由二維擴(kuò)展到三維、由常溫?cái)U(kuò)展到低溫、由單設(shè)備使用擴(kuò)展到多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，單一功能的超薄切片設(shè)備已不能全覆蓋現(xiàn)有需求，徠卡順應(yīng)當(dāng)前電鏡應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)、整合現(xiàn)代前沿科學(xué)技術(shù)，在2024年推出全新款智能化超薄切片設(shè)備Leica UC Enuity。

圖5. 徠卡全新超薄切片系統(tǒng)UC Enuity。

作為目前裝配電動(dòng)樣品架和刀架控制的商用超薄切片機(jī)，Leica UC Enuity在高精度強(qiáng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步智能化，可實(shí)現(xiàn)常溫下自動(dòng)修塊和對(duì)刀，輕松突破技術(shù)操作壁壘。

圖6. 徠卡全新超薄切片系統(tǒng)UC Enuity 自動(dòng)對(duì)刀過(guò)程展示。

在電動(dòng)元件和控制器的配合下，徠卡將超薄切片機(jī)從單一設(shè)備轉(zhuǎn)向“平臺(tái)化"。Leica UC Enuity內(nèi)含多工作模塊，包括三維尺度精準(zhǔn)暴露定位面和支持電鏡三維重構(gòu)的修塊和切片程序，通過(guò)功能富集和自動(dòng)化為材料科學(xué)研究精度和高效賦能。

圖7. 使用徠卡全新超薄切片系統(tǒng)3D trim模塊獲得的在三維空間靶向暴露目標(biāo)面的結(jié)果。左圖為在micro-CT數(shù)據(jù)中選定的目標(biāo)面，右圖為切削后獲得的實(shí)際端面。

同時(shí)，UC Enuity的觀察系統(tǒng)可進(jìn)一步升級(jí)為熒光體視鏡，將熒光呈像和超薄切片一體化，開(kāi)啟超薄切片新視角。在切片環(huán)節(jié)融入熒光定位，提升上鏡前選取目標(biāo)位的準(zhǔn)確性。對(duì)于低溫切片，徠卡低溫切片環(huán)境艙重新優(yōu)化液氮管路，在實(shí)現(xiàn)樣品、刀具、艙室環(huán)境三重精準(zhǔn)溫控的基礎(chǔ)上，安全阻隔外界環(huán)境氣氛對(duì)低溫樣品的干擾，由此，還可保障環(huán)境敏感樣品的制樣過(guò)程安全。

圖8. 配備M205熒光體視鏡和低溫切片環(huán)境艙的徠卡全新超薄切片系統(tǒng)UC Enuity。

結(jié)語(yǔ)

作為重新定義超薄切片的一款設(shè)備，Leica UC Enuity助力超薄切片術(shù)充分發(fā)揮潛力，揭開(kāi)復(fù)合材料的界面秘密，讓敏感脆弱的樣品“開(kāi)口說(shuō)話"，為您帶來(lái)全新的切片體驗(yàn)。