计量告诉你什么是纳米?
计量告诉你什么是纳米?
1.纳米的概念
纳米是一个长度单位,符号为nm,是 nanometer的缩写。米作为国际单位制基本长度单位,符号为m,是 meter的缩写,1nm=10-9m，在我们日常生活中经常使用到尺子,一般学生用直尺或者三角板的最小刻度为毫米,符号为mm,是 millimeter的缩写,1nm=10-6mm,更直观的表达就是1nm=0.000001mm。
2.用类比来感知纳米长度
那么1nm到底有多长?用书本中常见的1nm=10-9m，,1nm=10-6mm,这种表述方式还是不够形象,因为它太小了。现在我们换一种方式理解纳米的大小,1nm=10-6mm1即1mm=106nm,即1mm是1nm的106倍如今学校的标准操场的跑道,一圈是400m,如果我们将1m类比为上式中的1mm,那么1mm就是25圈操场的长度。进而,我们可以想象出1nm到底有多长,即如果将绕400m操场走2.5圈这个距离类比为1mm的话,1nm就是你手中尺子上1mm的大小。
3.用科学仪器来观测纳米长度
以上我们已经用简单的类比来感知了纳米尺度的大小,那么研究工作者是怎样更严谨地用科学仪器的方法来表征一种东西是纳米尺度呢?现在人们可以用多种检测手段获得物体微观纳米尺度。这里我们来闻述两种方法:第一种是通过透射电子显微镜来观察纳米尺度;第二种是通过原子力显微镜来感知纳米尺度,再展现在人们的眼前。
在研究工作中,透射电子显微镜( Transmission Electron Microscop TEM)之所以能够让人们观察到材料的纳米尺寸大小,是因为其放大倍数可达几十万倍,好的TEM放大倍数可以达到近百万倍。这里我们需要了解人肉眼的分辨率,即人能够分辨出两个黑点的最小距离。人肉眼观察物体距离为25cm时,正常肉眼的分辨率为0.06mm-0.12mm,平均分辨率为0.09mm,约为0.1mm。当我们把纳米级别的物体放大到们肉眼能够观察的地步,我们就可以从科学的角度上说我们看到了所观察物体的纳米尺度上的微观形貌。比如一个10m长的物体,我们将其放大20万倍,20万倍是TEM能轻松办到的事情,该物体放大后就成了2000000nm,换算成毫米就是2mm。10m是我们肉眼无法感知的,但是经过TEM20万倍的放大之后成了2mm,此时我们能够感知其大小了。而我们的光学显微镜的放大倍数一般是几百倍,最大能达到上干倍,比如光学显微镜放大1000倍,那么10nm的物体放大1000倍后为10000nm,即0.01mm,前面已经表述了人的肉眼分辨率为0.1mm显然光学显微镜无法达到要求,所以在观察纳米微观尺度的时候,人们采用TEM而不是光学显微镜。
人闭上眼睛通过手来触摸物体,可以感知物体的轮廓。同样原子力显微镜( Atomic Force Microscope,AFM)也是通过触摸的方式来感知物体的表面,它靠一个悬臂,悬臂的一端固定,悬臂的另一端有探针,其基本工作原理就是靠探针在物体表面移动,遇到高低起伏,探针与物体表面的相互作用力会有所变化,进而造成悬臂弯曲,悬臂的弯曲程度转化为光信号,光信号再转化成电信号,进而转化为电脑端输出图像。简而言之就是在物体表面上,当探针上的原子与物体表面的原子发生相互作用力时,每一个点都有一个信息输出,整个表面上的信息输出转化为最终的表面形貌信息。由于其分辨率也是纳米级别的,为此人们可以用原子力显微镜来观察材料表面的微观纳米尺度。
