Stepanas Lisovsky, MIPT doktorantas, Nanometrologijos ir nanomedžiagų katedros darbuotojas, pasakoja apie pagrindinius nanometrologijos principus ir įvairių mikroskopų funkcijas bei paaiškina, kodėl dalelių dydis priklauso nuo jų matavimo būdo.
- „Salik.biz“
Pamatinis mąstymas
Pradėti - apie paprastą metrologiją. Kaip disciplina, ji galėjo atsirasti dar antikos laikais, tada daugelis ginčijosi dėl priemonės - nuo Pitagoro iki Aristotelio -, bet jos neatsirado. Metrologija nepavyko tapti to meto pasaulio mokslinio paveikslo dalimi dėl to paties Aristotelio. Daugelį amžių jis nustatė prioritetą kokybiniam reiškinių aprašymui, o ne kiekybiniam. Viskas pasikeitė tik Niutono laikais. Reiškinių reikšmė „pagal Aristotelį“nustojo tenkinti mokslininkus, o dėmesys pasislinko - nuo semantinės aprašymo dalies prie sintaksinės. Paprasčiau tariant, buvo nuspręsta pažvelgti į daiktų sąveikos laipsnį ir laipsnį, o ne bandyti suvokti pačią jų esmę. Ir tai pasirodė daug vaisingiau. Tada atėjo geriausia metrologijos valanda.
Svarbiausia metrologijos užduotis - užtikrinti matavimų vienodumą. Pagrindinis tikslas yra atsieti matavimo rezultatą nuo visų duomenų: laiko, matavimo vietos, nuo to, kas matuoja ir kaip jis nusprendžia tai daryti šiandien. Dėl to turėtų likti tik tai, kas priklausys visada ir visur, nepriklausomai nuo nieko, objektyvus matas, kuris jam priklauso dėl visiems įprastos tikrovės. Kaip patekti į daiktą? Dėl jo sąveikos su matavimo įtaisu. Tam turi būti vieningas matavimo metodas ir standartas, visiems vienodi.
Taigi, mes išmokome matuoti - viskas, kas liko, turi būti matuojama taip, kaip ir mes, visų kitų pasaulio žmonių. Tam reikia, kad jie visi taikytų tą patį metodą ir tuos pačius standartus. Žmonės greitai suprato praktinę bendros priemonių sistemos naudą ir sutiko pradėti derybas. Atsirado metrinė matavimų sistema, kuri pamažu išplito beveik visame pasaulyje. Beje, Rusijoje nuopelnas diegiant metrologinę paramą priklauso Dmitrijui Mendelejevui.
Matavimo rezultatas, be faktinės kiekio vertės, yra ir matavimo vienetais išreikštas metodas. Taigi išmatuotas matuoklis niekada netaps niutonu, o omas niekada netaps tesla. Tai yra, skirtingi dydžiai reiškia skirtingą matavimo pobūdį, tačiau, žinoma, ne visada taip yra. Metalo viela pasirodo esanti tiek pagal savo erdvines savybes, tiek dėl laidumo, tiek pagal joje esančios medžiagos masę. Vienas kiekis yra susijęs su skirtingais reiškiniais, ir tai labai palengvina metrologo darbą. Net energija ir masė tam tikru mastu pasirodė lygiaverčiai, todėl supermasyvių dalelių masė matuojama atsižvelgiant į energiją, reikalingą jai sukurti.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Be kiekio vertės ir jo matavimo vieneto, yra dar keli svarbūs veiksniai, kuriuos turite žinoti apie kiekvieną matavimą. Visi jie yra įtraukti į specifinę matavimo metodiką, parinktą mums reikalingu atveju. Viskas jame nustatyta: standartiniai pavyzdžiai, instrumentų tikslumo klasė ir net tyrėjų kvalifikacija. Žinodami, kaip visa tai pateikti, remdamiesi metodika, galime atlikti teisingus matavimus. Galų gale, pritaikius techniką, gaunami garantuoti matavimo paklaidos matmenys, o visas matavimo rezultatas sumažinamas iki dviejų skaičių: vertės ir jos paklaidos, su kuriomis paprastai dirba mokslininkai.
Išmatuokite nematomą
Nanometrologija veikia beveik tais pačiais įstatymais. Tačiau yra keletas niuansų, kurių negalima ignoruoti. Norėdami juos suprasti, turite suprasti nano pasaulio procesus ir suprasti, kas iš tikrųjų yra jų ypatybė. Kitaip tariant, kas yra ypatinga nanotechnologijose.
Žinoma, turime pradėti nuo matmenų: vienas nanometras metrui yra beveik tas pats, kas Kinijos populiacijoje. Ši skalė (mažesnė nei 100 nm) leidžia sukurti daugybę naujų efektų. Čia kvantinės fizikos, įskaitant tuneliavimą, ir sąveikos su molekulinėmis sistemomis, bei biologinis aktyvumas ir suderinamumas bei perregėtas paviršius, kurio tūris (tiksliau tariant, paviršinis sluoksnis) yra palyginamas su pačiu paties nanoobjekto tūriu. Šios savybės yra nanotechnologo galimybių lobis ir kartu nanometrologo prakeikimas. Kodėl?
Esmė ta, kad dėl specialiųjų efektų buvimo nanoobjektams reikia visiškai naujų požiūrių. Jie negali būti vertinami optiškai klasikine prasme dėl esminio raiškos apribojimo, kurį galima pasiekti. Nes jis yra griežtai susietas su matomos radiacijos bangos ilgiu (galite naudoti trukdžius ir panašiai, bet visa tai jau yra egzotika). Yra keli pagrindiniai šios problemos sprendimai.
Viskas prasidėjo nuo autoelektroninio projektoriaus (1936), kuris vėliau buvo pakeistas į autojoninį (1951). Jo veikimo principas grindžiamas tiesine elektronų ir jonų judesiu veikiant elektrostatinę jėgą, nukreiptą iš nanoskalės katodo į anodinį ekraną, kurio makroskopinių matmenų mums jau reikia. Vaizdas, kurį stebime ekrane, susidaro prie katodo arba šalia jo dėl tam tikrų fizikinių ir cheminių procesų. Visų pirma, tai yra lauko elektronų ištraukimas iš katodo atominės struktūros ir „vaizduojamųjų“dujų atomų poliarizacija šalia katodo galiuko. Susiformavęs vaizdas, tam tikro jonų ar elektronų pasiskirstymo pavidalu, projektuojamas į ekraną, kur jis pasireiškia fluorescencijos jėgomis. Tokiu elegantišku būdu galite pažvelgti iš tam tikrų metalų ir puslaidininkių antgalių nanostruktūros,tačiau sprendimo elegancija čia susieta su pernelyg griežtais apribojimais, ką galime pamatyti, todėl šie projektoriai netapo labai populiarūs.
Kitas sprendimas buvo tiesioginis paviršiaus pojūtis, pirmą kartą įgyvendintas 1981 m. Kaip skenavimo zondo mikroskopas, kuriam 1986 m. Buvo paskirta Nobelio premija. Kaip jau galima spėti iš pavadinimo, tiriamas paviršius nuskaitomas zondu, kuris yra smaili adata.
Nuskaitymo zondo mikroskopas
© Max Planck kietojo kūno tyrimų institutas
Tarp viršūnės ir paviršiaus struktūros atsiranda sąveika, kurią dideliu tikslumu galima nustatyti net ir zondui veikiančia jėga, net kylančiu zondo įlinkiu, net keičiant zondo virpesių dažnį (fazę, amplitudę). Pradinė sąveika, nulemianti galimybę ištirti beveik bet kurį objektą, tai yra metodo universalumą, pagrįsta atstumiamąja jėga, kylančia iš kontakto, ir tolimojo nuotolio van der Waalso jėgomis. Galima panaudoti kitas jėgas ir net kylančią tunelinę srovę, kartografuojant paviršių ne tik pagal erdvinę vietą nanoobjektų paviršiuje, bet ir pagal kitas jų savybes. Svarbu, kad pats zondas būtų nanoskalės, kitaip zondas nenuskaitys paviršiaus,o paviršius yra zondas (pagal Niutono trečiąjį dėsnį sąveiką lemia abu objektai ir tam tikra prasme simetriškai). Tačiau iš esmės šis metodas pasirodė esąs universalus ir turintis platų galimybių spektrą, todėl jis tapo vienu pagrindinių nanostruktūrų tyrime. Pagrindinis jo trūkumas yra tai, kad jis reikalauja daug laiko, ypač lyginant su elektronų mikroskopu.
Elektronų mikroskopai, beje, taip pat yra zondo mikroskopai, tik fokusuotas elektronų pluoštas juose veikia kaip zondas. Dėl objektyvų sistemos konceptualiai ji panaši į optinę, nors ir be didelių skirtumų. Pirmiausia: elektronas turi mažesnį bangos ilgį nei fotonas dėl jo masyvumo. Žinoma, bangos ilgiai čia nepriklauso dalelėms, elektronui ir fotonui, tačiau apibūdina juos atitinkančių bangų elgesį. Kitas svarbus skirtumas: kūnų sąveika su fotonais ir elektronais yra gana skirtinga, nors ir neturinti bendrų bruožų. Kai kuriais atvejais iš sąveikos su elektronais gauta informacija yra dar prasmingesnė nei iš sąveikos su šviesa - vis dėlto priešinga situacija nėra neįprasta.
Ir paskutinis dalykas, į kurį reikėtų atkreipti dėmesį, yra optinių sistemų skirtumas: jei tradiciškai materialūs kūnai yra šviesos lęšiai, tai elektronų pluoštams tai yra elektromagnetiniai laukai, o tai suteikia didesnę laisvę manipuliuoti elektronais. Tai yra skenuojančių elektroninių mikroskopų „paslaptis“, vaizdas, ant kurio, nors ir atrodo, kaip jis buvo gautas įprastame šviesos mikroskope, yra padarytas tik operatoriaus patogumui, tačiau gaunamas kompiuteriu išanalizavus elektronų pluošto ir atskiro rastro (pikselio) sąveikos ypatybes. mėginiai, kurie vėliau skenuojami. Elektronų sąveika su kūnu leidžia nubrėžti paviršių reljefo, cheminės sudėties ir net liuminescencinių savybių atžvilgiu. Elektronų pluoštai gali praeiti pro plonus pavyzdžius,kuri leidžia pamatyti tokių objektų vidinę struktūrą - iki atomų sluoksnių.
Tai yra pagrindiniai objektų geometrijos atskyrimo ir ištyrimo nanoskalės lygiu metodai. Yra ir kitų, tačiau jie dirba su ištisomis nanoobjektų sistemomis, statistiškai apskaičiuodami jų parametrus. Čia yra miltelių rentgeno difraktometrija, leidžianti sužinoti ne tik miltelių fazinę sudėtį, bet ir ką nors apie kristalų dydžio pasiskirstymą; ir elipsometrija, apibūdinanti plonų plėvelių storį (dalykas, nepakeičiamas kuriant elektroniką, kurioje sistemų architektūra kuriama daugiausia sluoksniais); ir dujų sorbcijos metodai savito paviršiaus ploto analizei. Kalbą galima nutraukti su kai kurių metodų pavadinimais: dinaminis šviesos sklaidymas, elektroakustinė spektroskopija, branduolinio magnetinio rezonanso relaksometrija (vis dėlto ji tiesiog vadinama NMR relaksometrija).
Bet tai dar ne viskas. Pavyzdžiui, krūvis gali būti perduotas nanodalelėms, judančioms ore, po to gali būti įjungtas elektrostatinis laukas ir, atsižvelgiant į tai, kaip dalelė deformuota, galima apskaičiuoti jos aerodinaminį dydį (jos trinties jėga prieš orą priklauso nuo dalelės dydžio). Beje, panašiu būdu nanodalelių dydis nustatomas jau minėtame dinaminio šviesos išsibarstymo metode, analizuojamas tik Browno judesio greitis, be to, netiesiogiai, atsižvelgiant į šviesos sklaidos svyravimus. Gaunamas hidrodinaminis dalelių skersmuo. Ir yra ne vienas toks „protingas“metodas.
Tokia metodų gausa, kuri matuoja tą patį dalyką - dydį, turi vieną įdomią detalę. To paties nano objekto dydžio vertė dažnai skiriasi, kartais net kartais.
Koks dydis teisingas?
Laikas prisiminti įprastą metrologiją: matavimo rezultatai, be faktinės išmatuotos vertės, taip pat nustatomi pagal matavimo tikslumą ir metodą, kuriuo matavimas buvo atliktas. Atitinkamai rezultatų skirtumą galima paaiškinti skirtingu tikslumu ir skirtingu išmatuotų verčių pobūdžiu. Tezė apie skirtingą skirtingų dydžių tos pačios nanodalelės pobūdį gali pasirodyti laukinė, tačiau taip yra. Nanodalelių dydis, atsižvelgiant į jų elgseną vandeninėje dispersijoje, nėra toks pats kaip jos dydis, atsižvelgiant į dujų adsorbciją ant jo paviršiaus, ir nėra toks pats kaip jos dydis, sąveikaujant su elektronų pluoštu mikroskopu. Jau neminint to, kad statistiniams metodams taip pat negalima kalbėti apie tam tikrą dydį, o tik apie vertę, kuri apibūdina dydį. Tačiau nepaisant šių skirtumų (ar net jų dėka), visi šie rezultatai gali būti laikomi vienodai teisingais, tiesiog šiek tiek pasakant apie skirtingus dalykus, žiūrint iš skirtingų kampų. Bet šiuos rezultatus galima palyginti tik atsižvelgiant į pakankamą pasikliavimą jais tam tikrose situacijose: norint nuspėti nanodalelių elgseną skystyje, tikslingiau naudoti hidrodinaminio skersmens vertę ir pan.
Visa tai, kas pasakyta, galioja įprastinei metrologijai ir net bet kokiems faktų įrašams, tačiau į tai dažnai nekreipiama dėmesio. Galime pasakyti, kad nėra faktų, kurie būtų teisingesni ir mažiau teisingi, labiau atitikę tikrovę ir mažiau (išskyrus galbūt klastojimą), tačiau yra tik tokių faktų, kurie yra daugiau ir faktai, mažiau tinkami naudoti konkrečioje situacijoje, taip pat yra grindžiami daugiau ir mažiau teisingas to aiškinimas. Filosofai to gerai išmoko nuo pozityvizmo laikų: bet koks faktas teoriškai yra pakrautas.