
纳米粉体通常不是一堆彼此独立的颗粒,而是三级结构:合成中直接生成的一次颗粒,一次颗粒经烧结颈或共格界面强键合而成的聚集体,以及聚集体之间靠范德华力、毛细力或静电力松散连接的团聚体。
ISO 纳米技术术语标准(ISO/TS 80004-2)按结合强弱区分两者:聚集体的外表面积可明显小于各组成颗粒表面积之和,团聚体的外表面积则与各组成单元之和接近。氧化物粉体的一次颗粒常在 10–50 nm,聚集体在 100 nm 上下,团聚体则可达微米,催化剂和陶瓷粉体中三级结构常同时存在于同一份粉末里。

SEM 的低倍视野覆盖几十微米,此时一个像素对应几十纳米,比一次颗粒还大,团聚体的内部结构被平均成连续的绒状表面。
氧化锌原粉直接撒在导电胶上,5 μm 标尺下呈现为起伏均匀、没有明显孤立颗粒的整片粉层;同一粉体分散后滴干,低倍下反而变成疏密不均的黑色团块。这里的“均匀”描述的是团聚体在几十微米范围内的覆盖状态。

把同一批氧化锌放大到 100 nm 标尺,三种制样状态的差别就出现在一次颗粒尺度:干粉中一次颗粒彼此堆叠成团,分散滴干后能看到单个颗粒和小团簇,树脂包埋切面则让每个颗粒的截面独立显露。SEM 并非看不到团聚,低倍图像只是没有在团聚体尺度以下取样。
TEM 的常规视野在 1 μm 以下,像素尺寸小于 1 nm,一开始就在一次颗粒尺度工作,它记录的“团聚”指一次颗粒之间的接触与堆叠。

两种描述可以同时成立:团聚体在微米尺度分布均匀,团聚体内部的一次颗粒又彼此接触。相差一个数量级的尺寸数字分别落在三级结构上,并不互相矛盾。氧化锌粉体的标称一次粒径为 20 nm,树脂包埋切面的 SEM 等效圆直径中位值约 30 nm,而分散液上清的 DLS 体积加权中位值约 200 nm。

TEM 图像的衬度来自电子穿过样品时的散射:质量厚度越大、原子序数越高的区域散射越强,在明场像中越暗。电子束穿过的是整个样品厚度,图像是沿束方向的二维投影,上下叠放的两个颗粒与左右相接的两个颗粒在投影中都表现为一块连续的暗区。
铜网上一层厚 50–100 nm 的颗粒堆,投影后就呈现为连片的团聚体轮廓。

要区分堆叠和接触,需要把样品倾转到不同角度采集一组投影,再由断层重构恢复三维结构;单张投影像给出的是接触概率的上限。
TEM 样品还必须薄到电子可穿透,颗粒堆厚于 100–200 nm 的区域会变成不透明的黑块,分析者会自然选择较薄、颗粒较少的区域拍照,团聚体的完整外形因而常常不在视野中。
SEM 二次电子像的信号来自表面下几纳米深度,图像记录的是表面形貌与倾斜度:边缘和斜面出射的二次电子更多,颗粒边缘发亮,被前排颗粒遮挡的内部颗粒不产生信号。
SEM 的景深又远大于 TEM,同一幅图中高低相差数微米的颗粒都在焦内,不同高度的颗粒被压平在一张图里,前后层次消失。为抑制荷电而溅射的 5–10 nm 金或铂层,还会把小于 10 nm 的颗粒间隙填平。
场发射 SEM 的二次电子分辨率约 1–2 nm,但颗粒尺寸的测量值随加速电压变化:对 TiO2 双锥颗粒在 2–10 kV 之间的统计表明,面积等效直径随电压出现极小值。
InLens 探测器因边缘效应而高估尺寸,同一批颗粒的最小 Feret 直径在二次电子像中为 48.2 nm,在透射模式中为 43.5 nm;加速电压升高后相互作用体积扩大,颗粒边界进一步发虚。

同一台 SEM 切换到透射模式(STEM-in-SEM)后,同一区域的颗粒边界比二次电子像清晰,颗粒之间的间隙也更容易辨认。两幅图取自同一铜网、同一电压,边界清晰度取决于信号来自表面还是穿透体积,与仪器名称无关。
二次电子像里连成一片的颗粒,在透射像中可能显露出分离的轮廓;反过来,透射像里重叠的暗区也可能只是上下两层颗粒。负载型催化剂上的金属颗粒尤其如此:二次电子像中它们常被载体形貌淹没,透射像中却因质厚衬度而清楚显露。

SEM 制样通常把粉末撒在导电胶上或压成片,粉体出厂时的团聚状态被原样保留,并在毫米尺度铺展均匀,低倍图像因此表现为连续粉层。
TEM 制样则先把粉体分散在液体中超声,再把液滴滴到铜网上干燥;分散介质还要与粉体匹配,氧化锌因在水中部分溶解而改用异丙醇分散。超声只能拆开靠范德华力连接的软团聚。烧结颈相连的聚集体拆不开,过长的超声还可能引起再团聚。
压片和导电胶铺展也会制造假象,只是方向与滴干相反:团聚体被压得紧密排列,低倍下形成看似连续的均匀膜,团聚体之间的空隙被压缩到分辨率以下。
均匀铺展的粉层和滴干后的团簇描述的都是制样后的状态,两者都不等于粉体在浆料、涂层或反应器中的分散状态。
液滴干燥时,边缘蒸发快于中心,液体从中心向边缘补充,形成把颗粒推向周边的毛细流,即咖啡环效应;液体体积缩小使颗粒浓度不断升高,颗粒间距缩短到范德华吸引起作用的范围;去润湿时接触线收缩,又把颗粒扫到一起。
三种过程都在电镜观察之前把分散的颗粒重新聚拢,铜网上的团簇因而形成于干燥的最后几秒。

金纳米颗粒分散液直接滴干后,TEM 中出现大片由范德华力连接的团聚体;向分散液中加入适量牛血清白蛋白,蛋白质单层在颗粒表面形成位阻壳层,并通过降低表面张力引入反向的 Marangoni 流,干燥后颗粒以单个形式分布,平均半径 8.1 nm,多分散指数 0.2。
同一分散液的两种 TEM 结果只相差一步制样,团聚体是干燥过程的产物。

干燥团聚体通常呈单层、链状或枝状,集中在液滴边缘的环带内,颗粒之间只是点接触,颗粒轮廓各自完整;真实聚集体的一次颗粒之间有烧结颈或连续晶格,轮廓相互融合,在分散液中也以整体形式运动。干燥产生的接触在 TEM 中可以辨认,单张图像却无法反推液体中的状态,分散液的整体测量才能补上这一步。

在同一块铜网上用 SEM 高倍(低加速电压、InLens)和 STEM-in-SEM 拍摄同一区域,或在 TEM 低倍下统计团聚体尺寸、再在高倍下统计一次颗粒尺寸,两台仪器就在同一层级上给出可比的数字。
一次粒径、聚集体尺寸和团聚体尺寸应分别报告,并注明各自的制样方式、加速电压和统计颗粒数;只写一个“平均粒径”时,读者无法判断它属于哪一级。
树脂包埋后切片的方法把粉体固定在原始团聚状态中,切面上每个颗粒截面独立显露,统计不再受表面遮挡和重叠影响,每种粉体可统计 800 个以上截面。
氧化锌包埋切面的 SEM 等效圆直径中位值为 30.4 nm,分散滴干后的 STEM-in-SEM 为 22.5 nm;分散样品只统计被拆开的小颗粒,微米级团聚仍留在样品中却难以计入。包埋切面则把整批粉体的各级单元都切到了同一平面上。
DLS、BET 和 SAXS 测量的是整批样品而非几张视野。
氧化锌分散液上清的 DLS 体积加权中位值 200 nm 远大于一次粒径,液体中确实存在团聚体,而且上清是静置沉降后取样,沉降掉的大团聚体并不在其中,200 nm 仍是偏小的估计;由 BET 比表面积换算的等效直径 42 nm 介于两者之间,因为烧结颈把部分一次颗粒表面封闭,气体分子接触不到。
XRD 由峰宽换算的相干晶粒尺寸则只对应单晶畴,晶粒尺寸接近一次粒径时,一次颗粒是单晶;远小于一次粒径时,一次颗粒本身由多个晶粒组成。

SAXS 在液体中直接给出数量加权的尺寸分布:对 TiO2 双锥颗粒,短轴平均值 43.8 nm,分布标准差 4.8 nm,与同一批颗粒在 STEM-in-SEM 中的最小 Feret 直径 43.5 nm 一致,液体中的颗粒因此处于分散状态。
整体方法的尺寸与显微单颗粒尺寸一致时,团聚只出现在干燥样品中;整体尺寸大出数倍,则团聚在液体中已经发生,显微图像看到的团簇才对应真实使用状态,此时改变分散剂、离子强度或固含量才能改变分散状态,更换电镜改变不了团簇本身。
