简介
聚合物作为现代科学与工业的根基性材料，其应用遍及包装、纺织、生物医疗设备以及先进电子技术等诸多领域，并发挥着至关重要的作用。聚合物的这种多功能性，源于其可呈现的多种分子结构与形态，而这些结构与形态又进而决定了它们的机械、热学及功能特性。在所有这些结构特征中，层状结构——尤其是在半结晶聚合物中——对于决定材料的性能（如强度、柔韧性和阻隔性能）起着关键作用。
为了充分理解并优化这些材料，在纳米尺度上研究其内部结构至关重要。为此，透射电子显微镜（TEM）是一种强大的工具，它能提供所需的分辨率，以清晰地展现那些通常其他技术难以观测的精细层状结构。然而，由于聚合物质地柔软且结构常呈非均质，为其制备TEM样品面临着独特挑战。而超薄切片技术，尤其在低温条件下进行时，能制备出完好保留材料原始形貌的超薄切片。
在本研究中，我们探索使用了徕卡显微系统的UC Enuity超薄切片机，以期在常温与低温双重条件下完成聚合物样品的切片。我们展示了高分辨率TEM图像，印证了UC Enuity超薄切片仪在聚合物表征所需的高质量样品制备中不可或缺的作用。
结果
聚合物样品制备
作为超薄切片制样的第一步，通常可将聚合物划分为两大类：刚性材料与软质材料刚性材料通常可直接在超薄切片机上切片，一般使用金刚石刀即可完成。对于软质材料，其制样最关键的温度参数是玻璃化转变温度 (Tg)。它指的是聚合物从坚硬的玻璃态转变为柔软的橡胶态时的临界温度。在超薄切片技术的语境下，Tg之所以重要，是因为它有助于确定最佳的切片温度，即判断应在室温还是低温条件下进行操作。在Tg以下进行切片有助于减少样品的变形与压缩，从而确保获得高质量的超薄切片。
然而，切片过程还受诸多其他因素影响：材料的加工历史、是否为共混物或复合材料、所含包裹体、纳米颗粒、增塑剂等。此外，聚合物也可进行染色（通常使用四氧化锇和/或四氧化钌），这同样会改变材料的脆性，进而影响其切片行为。
常温与低温切片
可在室温下进行切片的典型聚合物包括：聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、经染色的聚丙烯（PP）、经染色的高密度聚乙烯（HDPE）、环氧树脂、尼龙以及硬质聚氨酯等。需在低温条件下切片的样品例如：未经染色的聚丙烯（PP）、未经染色的聚乙烯（PE）、橡胶类、尼龙、聚氯乙烯（PVC）、软质聚氨酯、乳胶以及未经染色的ABS。
下文实验中，我们选取了聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）进行常温切片，并选取聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）进行低温切片。实验目的在于，通过透射电镜清晰呈现两种聚合物的层状结构，以展示UC Enuity超薄切片机的切片质量。
聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）的室温切片
基于其较高的硬度，PS-b-PMMA的切片可在无需低温的条件下进行。由于该样品的合成量较少，为便于操作，将其包埋于紫外光固化树脂中。在紫外光照射下，树脂可在约10秒内将样品固定于样品座上。
随后成功制备了厚度为60纳米的聚合物切片（图1）。
由于该聚合物未经染色，其图像衬度较弱；但即便如此，即使不使用相位衬度，其聚合物纤维的排列结构已依稀可辨（图2左图）。施加相位衬度后，图像衬度被显著增强，从而极大地改善了规则聚合物结构的可见度，以利于进一步分析。(图 2，右）。
聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯（PS-b-PI）的低温切片
通常，冷冻或玻璃化样品无需树脂包埋即可直接切片。然而，由于本次合成仅在实验室级别进行，所得样品量不足以用标准样品座稳定固定。因此，我们通过树脂包埋来增加样品体积并将其固定于样品座上。所使用的树脂为紫外光固化树脂，它在紫外光照射下可在数秒内固化；随后，样品被安装在一个低温样品销上（图3）。
随后，将样品在液氮中进行预冷以加速降温，这主要是因为大多数聚合物样品的热导性较差。然而，根据聚合物类型的不同，也可能采用其他冷却方式，因为某些样品可能会因在液氮中快速冷却而碎裂。
接着，将样品块修整出合适的切面，并在睫毛笔的辅助下进行切片；该睫毛笔可通过微米螺旋进行精细调节，使其平行于切片进给方向轻微移动。最终成功获得了约30纳米厚的切片，并用蔗糖液滴将其收集，然后转移至带有多孔碳膜的载网上，最后在水滴上清洗以完成TEM分析制样。
图4展示了承载切片的载网全景以及微栅的结构。
总结
本研究评估了徕卡显微系统UC Enuity超薄切片机在常温与低温条件下制备聚合物样品的能力。制备流程取决于聚合物刚性与玻璃化转变温度（Tg），以判断是否需要低温切片避免形变。
以聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯为例实现常温切片：样品经UV固化树脂包埋，成功获得60-90纳米切片。即使未染色，其聚合物结构仍清晰可辨，相位衬度增强技术进一步提升了观测效果。
对聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯采用低温切片方案。因样品量有限，通过UV树脂包埋并辅以液氮冷却。成功制备30-40纳米切片。TEM分析清晰揭示了层状结构与三维有序组装。
实验结果证实，UC Enuity超薄切片机能够为先进聚合物表征研究提供高质量的样品制备支持。
