习近平总书记在第九次全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的讲话上指出,我国已经成为具有重要影响力的科技大国,科技创新对经济社会发展的支撑和引领作用日益增强。同时,必须认识到,同建设世界科技强国的目标相比,我国发展还面临重大科技瓶颈,关键领域核心技术受制于人的格局没有从根本上改变,科技基础仍然薄弱,科技创新能力特别是原创能力还有很大差距。高温超导、中微子物理、纳米科技等一系列技术成果,已经为我国成为有世界影响力的大国奠定了重要基础。
纳米科技作为现代科技发展的重要支撑,已经有了长足的发展。如半导体芯片制程工艺已经到了10nm以内的级别,对光刻技术和纳米工艺有极高的要求;如利用其大的比表面积应用的超微传感器、催化剂,对其合成工艺的控制要求严格。纳米科学是一门综合性的学科,涉及到物理、化学、材料、地质、珠宝等专业。对应用的纳米材料来说,其材料的物理化学性质,与物质结构、形貌、尺度相关性极大。在尺度达到纳米级别时,会产生新的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应、介电限域效应等。比如获得2010年诺贝尔物理学奖的石墨烯材料,即将块体的石墨剥离到单层0.33nm时,出现了极佳的韧性、热传导、极高的载流子迁移率等,而不同的层数,又会有不同的性质。因此,对于纳米材料来说,如何表征其形貌特征、晶体结构、结晶状态是其研究的基础。要想直观观测其状态及深入理解其机理,则需要相关大型仪器的构建。
纳米晶体生长及形貌演变过程的微观观测系列虚拟仿真实验,通过微观晶体生长的虚拟现实技术,将纳米晶体的成核、生长和大型科研仪器扫描电子显微镜及透射电子显微镜有机的结合起来,构建出一个直观立体的纳米晶体生长图像,以引导学生理解微观晶体的理论基础,培养学生的科学研究思维,锻炼学生操作大型仪器的能力。
从实验的设计来说,我们参考了已发表的原位生长纳米晶体的文献报道,力求还原真实的实验过程。主要选择了石墨晶体以及贵金属作为还原微观晶体生长,其微观生长过程适合于电镜观察,且适用于已知的实验生长原理。在对于生长过程的还原中,晶体颗粒的成核和生长是随机的,意味着每个学生每次做的实验均是不重复的,是本工作设计的一大亮点。进一步地,我们引入了扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)用于生长实验的观察,设计了SEM及TEM的操作学习步骤。需要强调的是,我们的电镜虚拟仿真过程除了虚拟基本操作以外,同时还引入了实时调焦的步骤,最真实的仿真出了电镜操作时最核心的步骤。
综上所述,此实验针对了难以实现、成本高昂、时空限制的原位SEM及TEM实验,设计出了纳米晶体生长及形貌演变过程的微观观测系列虚拟仿真实验,实验过程力求真实还原,且有较多的交互步骤,又契合了当前产业发展、技术发展的方向,在推进专业实验与科学研究等方面均具有良好的前景。
|