Stepan Lisovsky, doktor na MIPT, zaposleni na oddelku za Nanometrologijo in Nanomaterials, govori o osnovnih načelih nanometrologije in funkcijah različnih mikroskopov ter razloži, zakaj je velikost delcev odvisna od načina merjenja.
Referenčno razmišljanje
Za začetek - o enostavnem meroslovju. Kot disciplina bi lahko nastala že v antiki, takrat so se mnogi prepirali o ukrepu - od Pitagore do Aristotela -, vendar ni nastal. Metrologija zaradi istega Aristotela ni uspela postati del znanstvene slike sveta tistega časa. Dolga stoletja je postavil prednost kvalitativnemu opisu pojavov pred kvantitativnim. Vse se je spremenilo šele v Newtonovem času. Pomen pojavov "po Aristotelu" je znanstvenikom prenehal zadovoljevati, poudarek pa se je preusmeril - od pomenskega dela opisa do skladenjskega. Preprosto povedano, odločeno je bilo gledati na mero in stopnjo interakcij med stvarmi in ne poskušati dojeti njihovega bistva. In izkazalo se je veliko bolj plodno. Potem je prišla najboljša ura meroslovja.
Najpomembnejša naloga meroslovja je zagotoviti enakomernost meritev. Glavni cilj je ločiti rezultat meritev od vseh podrobnosti: časa, kraja merjenja, od tega, kdo meri in kako se danes odloči za to. Kot rezultat tega bi moralo ostati samo tisto, ki mu bodo vedno in povsod, ne glede na karkoli, pripadale stvari - njegovo objektivno merilo, ki mu pripada zaradi resničnosti, ki je skupna vsem. Kako priti do stvari? Skozi njegovo interakcijo z merilno napravo. Za to mora obstajati enotna metoda merjenja, pa tudi standard, enak za vse.
Tako smo se naučili meriti - vse, kar ostane, je, da vsi ostali na svetu merimo na enak način kot mi. To zahteva, da vsi uporabljajo isto metodo in uporabljajo iste standarde. Ljudje so hitro spoznali praktične prednosti uvedbe enotnega sistema ukrepov in se strinjali, da bodo začeli s pogajanji. Pojavil se je metrični sistem meritev, ki se je postopoma razširil na skoraj ves svet. Mimogrede, v Rusiji je zasluga za uvedbo meroslovne podpore Dmitrija Mendelejeva.
Rezultat meritve poleg dejanske vrednosti količine predstavlja tudi pristop, izražen v merskih enotah. Tako izmerjeni meter nikoli ne bo postal Newton, ohm pa nikoli ne bo postal tesla. Se pravi, da različne količine pomenijo drugačno naravo meritve, seveda pa to ni vedno tako. Meter žice se izkaže za meter tako po prostorskih značilnostih, kot tudi glede prevodnosti in glede na maso snovi v njej. Ena količina je vpletena v različne pojave in to močno olajša delo meroslovja. Tudi energija in masa sta se do neke mere izenačili, zato se masa presežnih masnih delcev meri v smislu energije, ki je potrebna za njeno ustvarjanje.
Promocijski video:
Poleg vrednosti količine in merske enote obstaja še nekaj pomembnih dejavnikov, ki jih morate vedeti o vsaki meritvi. Vse so vsebovane v določeni merilni tehniki, izbrani za primer, ki ga potrebujemo. V njem je vse postavljeno: standardni vzorci in razred natančnosti instrumentov in celo kvalifikacije raziskovalcev. Če znamo vse to zagotoviti, lahko na podlagi metodologije izvedemo pravilne meritve. Navsezadnje nam uporaba tehnike zagotavlja zajamčene dimenzije merilne napake, celoten rezultat meritve pa se zmanjša na dve številki: vrednost in njeno napako, s katero običajno delajo znanstveniki.
Izmerite nevidno
Nanometrologija deluje po skoraj enakih zakonih. Vendar obstaja nekaj odtenkov, ki jih ni mogoče prezreti. Če jih želite razumeti, morate razumeti procese nano sveta in razumeti, kaj je pravzaprav njihova značilnost. Z drugimi besedami, kaj je nanotehnologije tako posebnega.
Začeti moramo seveda z dimenzijami: en nanometer na meter je približno enak enemu Kitajcu pri prebivalstvu Kitajske. Ta lestvica (manj kot 100 nm) omogoča celo vrsto novih učinkov. Tu so učinki kvantne fizike, vključno s tuneliranjem, in interakcijo z molekularnimi sistemi ter biološko aktivnostjo in združljivostjo ter nerazvito površino, katere prostornina (natančneje, površinska plast) je primerljiva s celotnim volumnom samega nanoobjekta. Te lastnosti so zakladnica priložnosti za nanotehnologijo in hkrati prekletstvo nanometrologa. Zakaj?
Bistvo je, da nanoobjekti zaradi prisotnosti posebnih učinkov zahtevajo povsem nove pristope. Zaradi klasične omejitve ločljivosti jih ni mogoče videti v klasičnem smislu optično. Ker je strogo vezan na valovno dolžino vidnega sevanja (lahko uporabite interferenco in tako naprej, vendar je vse to že eksotično). Obstaja več osnovnih rešitev tega problema.
Vse se je začelo z avto-elektronskim projektorjem (1936), ki je bil kasneje spremenjen v avto-ionski (1951). Načelo njegovega delovanja temelji na pravokotnem gibanju elektronov in ionov pod delovanjem elektrostatične sile, usmerjene od nanodelske katode do anodnega zaslona makroskopskih dimenzij, ki jih že potrebujemo. Slika, ki jo opazimo na zaslonu, nastane na katodi ali blizu nje zaradi določenih fizikalnih in kemičnih procesov. Najprej je to črpanje poljskih elektronov iz atomske strukture katode in polarizacija atomov "slikovnega" plina v bližini konice katode. Slika se v obliki določene porazdelitve ionov ali elektronov projicira na zaslon, kjer se manifestira s silami fluorescence. Na ta eleganten način si lahko ogledate nanostrukturo konic iz določenih kovin in polprevodnikov oz.vendar je eleganca rešitve tukaj vezana na preozke omejitve tega, kar lahko vidimo, zato ti projektorji niso postali zelo priljubljeni.
Druga rešitev je bil dobeseden občutek površine, ki je bil prvič realiziran leta 1981 kot mikroskop za skeniranje, ki je bil leta 1986 nagrajen z Nobelovo nagrado. Kot lahko uganete iz imena, je treba površino, ki jo je treba pregledati, pregledati s sondo, ki je koničasta igla.
Mikroskop optičnega branja
© Institut Max Planck za raziskave trdnih snovi
Med vrhom in površinsko strukturo nastane interakcija, ki jo je mogoče določiti z visoko natančnostjo celo s silo, ki deluje na sondo, celo po nastalem odklonu sonde, celo po spremembi frekvence (faze, amplitude) nihanj sonde. Začetna interakcija, ki določa sposobnost raziskovanja skoraj katerega koli predmeta, torej univerzalnost metode, temelji na odbojni sili, ki izhaja iz stika, in na silah van der Waals na dolge dosege. Možno je uporabiti druge sile in celo nastajajoči tunelirni tok, ki površino preslikajo ne le glede na prostorsko lego na površini nanodelcev, temveč tudi drugih njihovih lastnosti. Pomembno je, da je sonda sama nanodelna, sicer sonda ne bo skenirala površine oz.in površina je sonda (s pomočjo Newtonovega tretjega zakona interakcijo določata oba predmeta in v nekem smislu simetrično). Toda na splošno se je ta metoda izkazala za univerzalno in ima najširšo paleto možnosti, zato je postala ena glavnih pri preučevanju nanostruktur. Njegova glavna pomanjkljivost je, da je izjemno zamudno, še posebej v primerjavi z elektronskimi mikroskopi.
Mimogrede, elektronski mikroskopi so tudi sondni mikroskopi, le osredotočen elektronski žarek deluje kot sonda v njih. Uporaba sistema leč naredi konceptualno podoben optičnemu, čeprav ne brez večjih razlik. Prvo in osnovno: elektron ima zaradi svoje masivnosti krajšo valovno dolžino kot foton. Seveda valovne dolžine tukaj ne pripadajo lastnim delcem, elektronu in fotonu, ampak označujejo vedenje valov, ki jim ustrezajo. Druga pomembna razlika: interakcija teles s fotoni in elektroni je precej različna, čeprav ni brez skupnih lastnosti. V nekaterih primerih so informacije, pridobljene pri interakciji z elektroni, celo bolj smiselne kot pri interakciji s svetlobo - vendar obratna situacija ni redka.
In zadnja stvar, na katero je treba biti pozoren, je razlika v optičnih sistemih: če so leče tradicionalno materialna telesa, so to za elektronske pramene to elektromagnetna polja, kar daje večjo svobodo pri manipuliranju z elektroni. To je "skrivnost" skeniranja elektronskih mikroskopov, slika na kateri je, čeprav je videti, kot da je bila pridobljena v običajnem svetlobnem mikroskopu, narejena tako le za udobje operaterja, ampak je pridobljena iz računalniške analize značilnosti interakcije elektronskega žarka z ločenim rastrom (pikslom) na vzorci, ki se naknadno skenirajo. Interakcija elektronov s telesom omogoča preslikavo površine glede na lastnosti reliefa, kemične sestave in celo luminescence. Elektronski žarki lahko prehajajo skozi tanke vzorce,ki vam omogoča, da vidite notranjo strukturo takšnih predmetov - vse do atomskih plasti.
To so glavne metode za razlikovanje in preučevanje geometrije predmetov na nanosusmerski ravni. Obstajajo tudi drugi, ki pa delujejo s celimi sistemi nanoobjektov, ki izračunavajo njihove parametre statistično. Tu je rentgenska difraktometrija praškov, ki vam omogoča, da ugotovite ne samo fazno sestavo praška, ampak tudi nekaj o porazdelitvi velikosti kristalov; in elipsometrija, ki označuje debelino tankih filmov (stvar, ki je nenadomestljiva pri ustvarjanju elektronike, pri kateri je arhitektura sistemov ustvarjena predvsem v plasteh); in sorpcijske metode za analizo določene površine. Jezik lahko razbijemo z imeni nekaterih metod: dinamično sipanje svetlobe, elektroakustična spektroskopija, relaksometrija jedrske magnetne resonance (vendar se preprosto imenuje NMR relaksometrija).
A to še ni vse. Na primer, naboj se lahko prenaša na nanodelce, ki se gibljejo po zraku, nato se lahko vklopi elektrostatično polje in glede na to, kako delci odklonijo, lahko izračunamo njegovo aerodinamično velikost (njegova sila trenja v zrak je odvisna od velikosti delcev). Mimogrede, na podoben način je velikost nanodelcev določena v že omenjeni metodi dinamičnega razprševanja svetlobe, analiziramo le hitrost v Brownovem gibanju in tudi posredno, od nihanj razpršitve svetlobe. Dobimo hidrodinamični premer delcev. In obstaja več kot ene take "pametne" metode.
Tako obilje metod, za katere se zdi, da merijo isto stvar - velikost, ima eno zanimivo podrobnost. Vrednost velikosti enega in istega nano-predmeta se pogosto razlikuje, včasih tudi na trenutke.
Kakšna velikost je pravilna?
Čas je, da se spomnimo navadnega meroslovja: merilne rezultate poleg dejanske izmerjene vrednosti določata tudi merilna natančnost in metoda, s katero je bila meritev izvedena. V skladu s tem lahko razliko v rezultatih razložimo tako z različno natančnostjo kot tudi z različnostjo narave izmerjenih vrednosti. Teza o različni naravi različnih velikosti istega nanodelca se morda zdi divja, vendar je. Velikost nanodelcev glede na njegovo obnašanje v vodni disperziji ni enaka njegovi velikosti glede na adsorpcijo plinov na njegovi površini in ni enaka velikosti v smislu interakcije z elektronskim žarkom v mikroskopu. Da ne omenjam dejstva, da tudi za statistične metode ni mogoče govoriti o določeni velikosti, ampak le o vrednosti, ki označuje velikost. Toda kljub tem razlikam (ali celo zaradi njih) lahko vse te rezultate štejemo za enako resnične, le malo govorimo o različnih stvareh, gledamo iz različnih zornih kotov. Te rezultate pa lahko primerjamo le z vidika ustreznosti zanašanja nanje v določenih situacijah: za napovedovanje obnašanja nanodelcev v tekočini je primerneje uporabiti vrednost hidrodinamičnega premera in tako naprej.
Vse zgoraj velja za konvencionalno meroslovje in celo za vsak zapis dejstev, vendar je to pogosto spregledano. Lahko rečemo, da ni nobenih dejstev, ki bi bila bolj resnična in manj resnična, bolj skladna z resničnostjo in manj (razen morda ponarejanja), vendar obstajajo le dejstva, ki so bolj in dejstva manj primerna za uporabo v določeni situaciji, pa tudi na osnovi več in manj pravilna razlaga za to. Tega so se filozofi že dobro naučili že od časa pozitivizma: vsako dejstvo je teoretično obremenjeno.