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中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
不銹鋼也會(huì)生銹？（2）
材料新視野
2015年02月09日
透射電子顯微學(xué)，顧名思義，是利用電子穿透材料成像，能夠讓我們得到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息的一種科學(xué)技術(shù)。更重要的是，我們能借助這種手段，把分辨能力提高到了原子尺度。利用透射電子顯微鏡已經(jīng)成功的把很多過(guò)去在物理、化學(xué)以及材料科學(xué)中無(wú)法認(rèn)識(shí)清楚或是缺少直接證據(jù)的難題解決了。在不銹鋼點(diǎn)蝕這一經(jīng)典問(wèn)題上，又一次看到透射電鏡發(fā)揮了它的極大優(yōu)勢(shì)。那么，我們先花點(diǎn)時(shí)間，簡(jiǎn)單介紹一下透射電子顯微鏡吧！
有位著名的科學(xué)家——瑞利，他證明了一個(gè)判據(jù)：分辨率不能小于觀察波長(zhǎng)的1/2。也就是說(shuō)，如果用光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察的話，我們只能看到大于200納米的微小物體。即使使用紫外線（波長(zhǎng)390nm-190nm）,也就是100納米左右的分辨本領(lǐng)。
歷史證明，世界上不缺乏有創(chuàng)新能力的人，只是看有沒(méi)有刺激創(chuàng)新的動(dòng)力！在光學(xué)分辨率極限讓大家沮喪不已的時(shí)候，一個(gè)偉大的物理學(xué)家——德布羅意誕生了。他用他僅僅一頁(yè)多點(diǎn)的博士論文拿到了諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗C明了所有物質(zhì)（我們這里關(guān)心的是電子）應(yīng)當(dāng)同時(shí)具有波和粒子兩種特點(diǎn)。既然電子也是波，而且波長(zhǎng)非常之短（100kV加速電壓下，電子波長(zhǎng)僅有0.0037nm）,那么如果用電子波取代光波來(lái)成像的話，分辨率豈不是將大大提高！
路易 維克多 德布羅意(Louis Victor de Broglie，1892——1987年)法國(guó)著名理論物理學(xué)家？
1931年4月7日，魯斯卡(Ernst Ruska)和馬克斯 克諾爾（Max Knoll）基于電子帶電通過(guò)磁場(chǎng)會(huì)偏移的現(xiàn)象，使得通過(guò)鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦，成功用磁性鏡頭制成第一臺(tái)二級(jí)電子光學(xué)放大鏡，實(shí)現(xiàn)了電子顯微鏡的技術(shù)原理，當(dāng)時(shí)被稱為“超顯微鏡”。
恩斯特 魯斯卡(Ernst？Ruska，1906–1988) 德國(guó)著名物理學(xué)家
透射電子顯微鏡能干什么？
利用透射電子顯微學(xué)確定MnS溶解初始位置
把不銹鋼樣品放在NaCl溶液(模擬腐蝕環(huán)境)浸泡后，在透射電鏡下進(jìn)行原位的觀察。如下圖，發(fā)現(xiàn)MnS(圖中長(zhǎng)條狀)的溶解起始總是發(fā)生在一個(gè)小顆粒的周圍。圖a和c分別是同一段夾雜物MnS在浸泡溶解前后的對(duì)比。圖b和d分別是浸泡前后小顆粒附近局部放大圖。
？透射電子顯微之原位（外）環(huán)境實(shí)驗(yàn)
通過(guò)電子顯微學(xué)各種手段的綜合運(yùn)用，確定小顆粒為八面體構(gòu)型的MnCr2O4尖晶石氧化物顆粒
？隨著時(shí)間加長(zhǎng)， 溶解以氧化物顆粒為中心，擴(kuò)展到整個(gè)MnS
利用特殊的透射電鏡樣品臺(tái)，可以對(duì)這種氧化物小顆粒進(jìn)行三維重構(gòu)。可以看出，盡管左右兩圖中的顆粒外貌有些許差異，但這的確是由八個(gè)(111)取向的面構(gòu)成的八面體納米顆粒。
利用第一原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)那些具有強(qiáng)的活性、易使其周圍硫化錳快速溶解的氧化物納米八面體具有以金屬離子作為其外表面的特征（類“惡性腫瘤”），如圖a和b中，以鉻和錳離子為外表面的氧化物顆粒；相反，較低活性的納米八面體則以氧離子作為其外表面（類“良性腫瘤”），如圖c。
這一發(fā)現(xiàn)為揭示不銹鋼點(diǎn)蝕初期硫化錳溶解的起始位置提供了直接的證據(jù)，使人們對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)從先前的微米尺度提升至原子尺度，為探索提高不銹鋼抗點(diǎn)蝕能力的新途徑提供了原子尺度的結(jié)構(gòu)和成分信息。（全文完）
有位著名的科學(xué)家——瑞利，他證明了一個(gè)判據(jù)：分辨率不能小于觀察波長(zhǎng)的1/2。也就是說(shuō)，如果用光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察的話，我們只能看到大于200納米的微小物體。即使使用紫外線（波長(zhǎng)390nm-190nm）,也就是100納米左右的分辨本領(lǐng)。
歷史證明，世界上不缺乏有創(chuàng)新能力的人，只是看有沒(méi)有刺激創(chuàng)新的動(dòng)力！在光學(xué)分辨率極限讓大家沮喪不已的時(shí)候，一個(gè)偉大的物理學(xué)家——德布羅意誕生了。他用他僅僅一頁(yè)多點(diǎn)的博士論文拿到了諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗C明了所有物質(zhì)（我們這里關(guān)心的是電子）應(yīng)當(dāng)同時(shí)具有波和粒子兩種特點(diǎn)。既然電子也是波，而且波長(zhǎng)非常之短（100kV加速電壓下，電子波長(zhǎng)僅有0.0037nm）,那么如果用電子波取代光波來(lái)成像的話，分辨率豈不是將大大提高！
路易 維克多 德布羅意(Louis Victor de Broglie，1892——1987年)法國(guó)著名理論物理學(xué)家？
1931年4月7日，魯斯卡(Ernst Ruska)和馬克斯 克諾爾（Max Knoll）基于電子帶電通過(guò)磁場(chǎng)會(huì)偏移的現(xiàn)象，使得通過(guò)鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦，成功用磁性鏡頭制成第一臺(tái)二級(jí)電子光學(xué)放大鏡，實(shí)現(xiàn)了電子顯微鏡的技術(shù)原理，當(dāng)時(shí)被稱為“超顯微鏡”。
恩斯特 魯斯卡(Ernst？Ruska，1906–1988) 德國(guó)著名物理學(xué)家
透射電子顯微鏡能干什么？
利用透射電子顯微學(xué)確定MnS溶解初始位置
把不銹鋼樣品放在NaCl溶液(模擬腐蝕環(huán)境)浸泡后，在透射電鏡下進(jìn)行原位的觀察。如下圖，發(fā)現(xiàn)MnS(圖中長(zhǎng)條狀)的溶解起始總是發(fā)生在一個(gè)小顆粒的周圍。圖a和c分別是同一段夾雜物MnS在浸泡溶解前后的對(duì)比。圖b和d分別是浸泡前后小顆粒附近局部放大圖。
？透射電子顯微之原位（外）環(huán)境實(shí)驗(yàn)
通過(guò)電子顯微學(xué)各種手段的綜合運(yùn)用，確定小顆粒為八面體構(gòu)型的MnCr2O4尖晶石氧化物顆粒
？隨著時(shí)間加長(zhǎng)， 溶解以氧化物顆粒為中心，擴(kuò)展到整個(gè)MnS
利用特殊的透射電鏡樣品臺(tái)，可以對(duì)這種氧化物小顆粒進(jìn)行三維重構(gòu)。可以看出，盡管左右兩圖中的顆粒外貌有些許差異，但這的確是由八個(gè)(111)取向的面構(gòu)成的八面體納米顆粒。
利用第一原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)那些具有強(qiáng)的活性、易使其周圍硫化錳快速溶解的氧化物納米八面體具有以金屬離子作為其外表面的特征（類“惡性腫瘤”），如圖a和b中，以鉻和錳離子為外表面的氧化物顆粒；相反，較低活性的納米八面體則以氧離子作為其外表面（類“良性腫瘤”），如圖c。
這一發(fā)現(xiàn)為揭示不銹鋼點(diǎn)蝕初期硫化錳溶解的起始位置提供了直接的證據(jù)，使人們對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)從先前的微米尺度提升至原子尺度，為探索提高不銹鋼抗點(diǎn)蝕能力的新途徑提供了原子尺度的結(jié)構(gòu)和成分信息。（全文完）