Nanomi 项目作为开源硬件领域的创新尝试，旨在颠覆传统透射电子显微镜（TEM）的昂贵与复杂现状。通过模块化设计、3D 打印技术和现成组件的结合，它为纳米级成像提供了可及性解决方案。本文将从设计理念入手，探讨其核心组件、组装参数与实际应用，强调其在材料科学和生物研究中的潜力。
Nanomi 的设计理念
传统 TEM 设备依赖高真空环境、高压电子束和精密电磁透镜，分辨率可达亚埃级，但成本往往超过百万美元，且维护难度高。这限制了其在发展中国家或小型实验室的使用。Nanomi 项目灵感来源于开源光学显微镜如 OpenFlexure，扩展到电子显微领域。其核心观点是：通过标准化模块和 DIY 方法，降低门槛至万元级别，同时保持基本纳米级分辨率。
项目强调模块化：用户可根据需求组装电子枪模块、样品室模块和成像模块。3D 打印用于非精密外壳和支架，现成组件如小型真空泵（从电商平台采购）和低压电子源确保兼容性。观点在于，牺牲部分高端性能换取可及性，能激发更多创新应用，例如学生实验或现场纳米材料检测。
证据支持这一理念：类似开源项目如 UC2 工具箱已证明 3D 打印光学系统可达实验室级分辨率。Nanomi 借鉴此经验，针对 TEM 的真空与电子束挑战，引入简化设计，如使用商用场发射枪替代自制高压源。
核心组件与可落地参数
Nanomi 的硬件分为三大模块，总成本控制在 5000-10000 元人民币。
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电子源与加速模块：
- 使用 off-the-shelf 场发射电子枪（如小型商用 TEM 枪，电压 10-50kV），避免高压自制风险。
- 参数设置：加速电压初始 20kV，电流 0.1-1μA。真空度需达 10^-5 Pa，使用 3D 打印接口连接涡轮分子泵（淘宝现成，约 2000 元）。
- 落地清单：电子枪（1500 元）、电源适配器（500 元）、真空密封 O 环（自印 PLA 材料）。
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样品室与透镜模块：
- 样品室采用 3D 打印尼龙外壳，直径 5cm，厚度 2mm，确保耐真空。样品台为精密 XYZ 微调器，使用步进电机控制（Arduino 驱动，成本低）。
- 电磁透镜：采购小型螺线管线圈（AliExpress，约 300 元 / 对），聚焦电流 1-5A。像差校正通过软件模拟预设。
- 参数：样品厚度 < 100nm，加热台可选（至 500°C，用于原位观察）。分辨率目标 0.5-1nm，依赖电子束稳定性。
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检测与控制模块：
- 成像使用荧光屏或小型 CCD 相机（Raspberry Pi 兼容，1000 元）。数据采集通过开源软件如 ImageJ 插件处理。
- 控制系统：Raspberry Pi 主板运行 Python 脚本，实现自动对焦和扫描。安全阈值：电压过载自动断电，真空泄漏警报。
组装流程：先打印外壳（STL 文件开源于 GitHub），安装真空接口（1 小时），连接电子源（需专业工具，2 小时），校准透镜（软件辅助，1 天）。总时长 < 1 周，非专家可参考视频教程。
风险管理：高电压需绝缘测试，建议初学者在指导下操作。分辨率不如商业 TEM（JEOL 等达 0.1nm），但足以观察碳纳米管或蛋白质结构。
实际应用与案例
Nanomi 的证据在于其多领域落地潜力。在材料科学中，它可用于低成本观察石墨烯层状结构：用户准备超薄样品，设置 20kV 电压，获取 1nm 分辨率图像，验证层间距 0.34nm，与文献一致。
生物研究案例：结合冷冻样品技术（3D 打印样品夹具），观察病毒颗粒。参数：-80°C 冷却，真空 10^-6 Pa，成像时间 < 1min / 帧。相比商业设备，Nanomi 成本仅 1/100，但支持远程教育分享数据。
教育应用：大学实验室用 Nanomi 教学 TEM 原理，学生自组装，培养动手能力。一项试点显示，学生使用 Nanomi 分析半导体纳米线，获得与商用类似结果，激发开源硬件兴趣。
引用 [1]：Nanomi 项目文档强调，“模块化设计允许用户自定义，扩展至 4D-STEM 功能。” 这验证了其灵活性。
挑战与优化建议
尽管 Nanomi democratizes 纳米成像，但面临真空密封和电子束稳定性挑战。优化参数：使用 PETG 材料打印，提升耐压性；集成 PID 控制器稳定电流，误差 < 0.1%。
未来，回滚策略：若分辨率不足，升级商用透镜模块。监控点：真空计读数、束流亮度，确保 > 95% uptime。
总之，Nanomi 不仅是硬件，更是开源精神的体现。它推动纳米研究从精英化向普惠化转型，预计将催生更多 DIY 创新。感兴趣者可从 GitHub 下载设计，加入社区贡献。
（字数：1025）
[1] Nanomi Project Site, 2025. [2] OpenFlexure Documentation, 2024.