这篇论文的研究内容由丹麦技术大学DTU Nanolab的Chloé Chemin教授及其团队完成，发表在《Nano Today》期刊上。该研究探讨了聚合物的石墨化过程，提出了一种新颖的方法，通过原位透射电子显微镜（TEM）技术实现对聚合物前驱体在热解过程中的原子级可视化。
聚合物热解生成的热解碳因其优异的物理、化学和电化学特性，成为多种先进技术的有前景的材料。热解碳的性能受其前驱体的化学结构和热解条件的影响，尤其是石墨化过程对其电导率和机械强度的提升至关重要。然而，现有的研究多集中于特定的聚合物前驱体或热解条件，缺乏对不同聚合物在热解过程中石墨化机制的系统理解。因此，深入研究聚合物的石墨化过程，尤其是通过原位观察其微观结构变化，具有重要的科学价值和应用前景。
本研究采用了双光子聚合（2PP）技术，结合原位TEM加热技术，开发了一种新颖的微纳米结构制造方法。研究团队首先在TEM加热芯片上通过Nanoscribe Photonic Professional GT+系统制造悬浮聚合物薄膜结构。这种方法能够在纳米级别上实现高分辨率的3D打印，避免了传统薄膜制备方法中可能引入的结构变化。通过优化打印参数，研究者们成功制造出厚度在200纳米以下的薄膜，确保了在后续的TEM观察中能够获得清晰的图像。
在热解过程中，研究者们通过原位TEM观察聚合物薄膜的石墨化过程，记录了不同热解条件下的微观结构演变。研究发现，薄膜的厚度、热解温度和保温时间等因素对石墨化过程有显著影响。具体而言，研究表明，700纳米厚的薄膜在1300°C下保温2小时以上，可以有效促进石墨层的堆叠和形成。随着热解时间的延长，石墨层的数量显著增加，表明聚合物薄膜在热解过程中经历了从无序到有序的转变。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察，研究者们成功识别出石墨化微域的形成，并测量到典型的石墨（002）平面间距为3.3Å。这些发现为理解聚合物热解过程中石墨化的微观机制提供了重要的实验依据。
此外，研究还探讨了电子束对石墨化过程的影响。实验表明，在高温下，电子束的照射可以加速石墨化过程，促进碳原子的重排，形成更长的石墨化域。这一发现为未来在电子束辐照下的材料改性提供了新的思路。尽管本研究取得了一系列重要成果，但在研究过程中也面临了一些挑战。首先，聚合物薄膜的均匀性和厚度控制是实现高分辨率成像的关键。研究团队通过优化2PP打印参数，成功制造出厚度在200纳米以下的薄膜，但在实际操作中仍需克服材料收缩和附着力不足等问题。
其次，原位观察过程中，如何有效控制电子束对样品的影响也是一个重要挑战。研究者们通过在不同时间段内选择性地开启或关闭电子束，探讨了其对石墨化过程的影响，取得了一定的成功，但仍需进一步优化实验条件，以减少电子束对样品的潜在损伤。通过对聚合物石墨化过程的深入理解，研究者们希望能够预测热解碳的微观结构，从而为其在电化学储能、医疗植入物和航空航天等领域的应用提供理论基础和技术支持。
本研究为聚合物热解过程的原位观察提供了一种新方法，具有广泛的应用前景。未来，研究团队计划将这一方法应用于不同类型的聚合物前驱体，以系统性地研究其石墨化过程。此外，结合其他催化剂和离子材料的作用，进一步探索其对石墨化微域生长的影响，将有助于优化热解碳材料的性能。通过对聚合物热解过程的深入研究，研究者们希望能够为热解碳材料的设计和应用提供新的思路和方法。
综上所述，Chloé Chemin教授及其团队的研究为聚合物的石墨化过程提供了新的视角和方法，揭示了热解碳材料的微观结构演变机制。通过原位TEM技术的应用，研究者们不仅成功观察了聚合物在热解过程中的变化，还探讨了电子束对石墨化的影响。这一研究为未来聚合物前驱体的优化和热解碳材料的应用奠定了基础，具有重要的科学意义和应用价值。
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https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102524
