Stepan Lisovsky, doktorski studij na MIPT-u, zaposlenik Odjela za Nanometrologiju i Nanomaterials, govori o osnovnim načelima nanometrologije i funkcijama različitih mikroskopa te objašnjava zašto veličina čestica ovisi o načinu njezinog mjerenja.
Referentno razmišljanje
Za početak - o jednostavnom mjeriteljstvu. Kao disciplina, ona je mogla nastati u antici, tada su se mnogi svađali oko mjere - od Pitagore do Aristotela - ali nije nastala. Metrologija nije uspjela postati dio znanstvene slike svijeta toga vremena zbog istog Aristotela. Stoljećima je odredio prioritet kvalitativnog opisa pojava nad kvantitativnim. Sve se promijenilo samo u Newtonovo vrijeme. Značenje pojava "prema Aristotelu" prestalo je zadovoljavati znanstvenike, a naglasak se pomaknuo - iz semantičkog dijela opisa u sintaktički. Jednostavno rečeno, odlučeno je gledati mjeru i stupanj interakcije između stvari, a ne pokušavati shvatiti njihovu samu suštinu. A pokazalo se da je puno plodniji. Zatim je došao najfiniji sat metrologije.
Najvažniji zadatak mjeriteljstva je osigurati ujednačenost mjerenja. Glavni je cilj odvojiti rezultat mjerenja iz svih pojedinosti: vremena, mjesta mjerenja, od toga tko vrši mjerenje i kako se danas odlučio na to. Kao rezultat toga, trebalo bi ostati samo ono što će uvijek i svugdje, bez obzira na bilo što, stvari pripadati - njegova objektivna mjera, koja mu pripada zahvaljujući stvarnosti koja je zajednička svima. Kako doći do stvari? Kroz svoju interakciju s mjernim uređajem. Za to mora postojati jedinstvena metoda mjerenja, kao i standardna, ista za sve.
Dakle, naučili smo mjeriti - sve što ostaje je da se svi drugi ljudi na svijetu mjere na isti način kao i mi. To zahtijeva da svi koriste istu metodu i koriste iste standarde. Ljudi su brzo shvatili praktične prednosti uvođenja jedinstvenog sustava mjera i složili se započeti pregovore. Pojavio se metrički sustav mjerenja, koji se postupno proširio na gotovo cijeli svijet. U Rusiji, usput, zasluga za uvođenje metrološke potpore pripada Dmitriju Mendeleevu.
Rezultat mjerenja, uz stvarnu vrijednost količine, predstavlja i pristup izražen u mjernim jedinicama. Tako izmjereni mjerač nikada neće postati Newton, a ohm nikada neće postati tesla. Odnosno, različite količine podrazumijevaju različitu prirodu mjerenja, ali, naravno, to nije uvijek slučaj. Metar žice ispada da je metar kako u pogledu svojih prostornih karakteristika, tako i vodljivosti i u smislu mase tvari u njoj. Jedna količina uključena je u različite pojave, a to uvelike olakšava rad mjeritelja. Čak su se i energija i masa u određenoj mjeri pokazali jednakovrijednima, pa se masa supermasivih čestica mjeri u odnosu na energiju potrebnu za njeno stvaranje.
Promotivni video:
Pored vrijednosti jedne veličine i njezine mjerne jedinice, mora postojati još nekoliko važnih čimbenika o svakom mjerenju. Svi su sadržani u specifičnoj tehnici mjerenja odabranoj za slučaj koji nam je potreban. Sve je postavljeno u njemu: standardni uzorci, klasa točnosti instrumenata, pa čak i kvalifikacije istraživača. Znajući kako sve to pružiti, na temelju metodologije, možemo provesti ispravna mjerenja. U konačnici, primjena tehnike daje nam zajamčene dimenzije mjerne pogreške, a cijeli se rezultat mjerenja svodi na dva broja: vrijednost i njezinu pogrešku s kojima znanstvenici obično rade.
Izmjerite nevidljivo
Nanometrologija djeluje po gotovo istim zakonima. No, postoji nekoliko nijansi koje se ne mogu zanemariti. Da biste ih razumjeli, morate razumjeti procese nanoworld-a i razumjeti što je, u stvari, njihovo obilježje. Drugim riječima, ono što je tako posebno u vezi s nanotehnologijom.
Moramo početi, naravno, s dimenzijama: jedan nanometar po metru otprilike je jednak kao jedan Kinez u stanovništvu Kine. Ova ljestvica (manje od 100 nm) omogućuje čitav niz novih efekata. Ovdje su učinci kvantne fizike, uključujući tuneliranje, i interakciju s molekularnim sustavima, i biološku aktivnost i kompatibilnost, i nerazvijenu površinu, čiji je volumen (točnije, prizemni sloj) usporediv s ukupnim volumenom samog nanoobjekta. Ova svojstva su riznica mogućnosti nanotehnologa i ujedno prokletstvo nanometrologa. Zašto?
Stvar je u tome što, zbog prisutnosti posebnih efekata, nanoobjekti zahtijevaju potpuno nove pristupe. Oni se ne mogu optički promatrati u klasičnom smislu zbog temeljnih ograničenja rezolucije koja se mogu postići. Jer je strogo vezana valnom duljinom vidljivog zračenja (možete koristiti smetnje i tako dalje, ali sve je to već egzotično). Postoji nekoliko osnovnih rješenja ovog problema.
Sve je počelo s auto-elektroničkim projektorom (1936), koji je kasnije preinačen u auto-ionski (1951). Princip njegova djelovanja temelji se na pravocrtnom gibanju elektrona i iona pod djelovanjem elektrostatičke sile usmjerene od nanocatne katode do anodnog ekrana makroskopskih dimenzija koje već trebamo. Slika koju promatramo na ekranu nastaje na katodi ili blizu nje zbog određenih fizikalnih i kemijskih procesa. Prije svega, to je ekstrakcija poljskih elektrona iz atomske strukture katode i polarizacija atoma "imaging" plina u blizini katodnog vrha. Formirajući, slika u obliku određene raspodjele iona ili elektrona projicira se na ekran, gdje se očituje silama fluorescencije. Na ovaj elegantan način možete pogledati nanostrukture vrhova izrađenih od određenih metala i poluvodiča,ali elegancija rješenja ovdje je vezana za previše stroga ograničenja onoga što možemo vidjeti, tako da ovi projektori nisu postali vrlo popularni.
Drugo rješenje je doslovni osjećaj površine, prvi put realiziran 1981. godine kao mikroskop za skeniranje, koji je 1986. dobio Nobelovu nagradu. Kao što možete pretpostaviti iz naziva, površina koja se ispituje skenira se sondom, a to je šiljasta igla.
Mikroskop za skeniranje
© Institut Maxa Plancka za istraživanje čvrstog stanja
Dolazi do interakcije između vrha i površinske strukture, što se može odrediti s velikom točnošću čak i silom koja djeluje na sondu, čak i nastalim otklonom sonde, čak i promjenom frekvencije (faze, amplitude) oscilacija sonde. Početna interakcija, koja određuje sposobnost istraživanja gotovo bilo kojeg predmeta, odnosno univerzalnost metode, temelji se na odbojnoj sili koja proizlazi iz dodira i na dugoročnim van der Waalsovim silama. Možete upotrijebiti druge sile, pa čak i nastajuću tunelorijsku struju, preslikavajući površinu ne samo s gledišta prostornog položaja na površini nano-objekata, već i njihovih drugih svojstava. Važno je da sama sonda bude nano skaliranja, u protivnom sonda neće skenirati površinu,a površina je sonda (temeljem Newtonovog trećeg zakona interakciju određuju oba objekta i, u izvjesnom smislu, simetrično). Ali u cjelini, ova se metoda pokazala univerzalnom i imala je najširi raspon mogućnosti, pa je postala jedna od glavnih u proučavanju nanostruktura. Glavni mu je nedostatak to što izuzetno troši vrijeme, posebno u usporedbi s elektronskim mikroskopima.
Uzgred, elektronski mikroskopi su također sondni mikroskopi, samo usredotočena elektronska zraka djeluje kao sonda u njima. Upotreba sustava leća čini konceptualno sličnu optičkoj, mada ne bez većih razlika. Prvo i osnovno: elektron ima kraću valnu duljinu od fotona, zbog svoje masivnosti. Naravno, valne duljine ovdje ne pripadaju česticama, elektronu i fotonu, već karakteriziraju ponašanje valova koji im odgovaraju. Još jedna važna razlika: interakcija tijela sa fotonima i elektronima je sasvim različita, iako nije lišena zajedničkih karakteristika. U nekim su slučajevima informacije dobivene iz interakcije sa elektronima čak i značajnije nego iz interakcije sa svjetlošću - međutim, suprotna situacija nije neuobičajena.
I posljednja stvar na koju treba obratiti pažnju je razlika u optičkim sustavima: ako su materijalna tijela tradicionalno leće za svjetlost, onda su za elektronske zrake to elektromagnetska polja, što daje veću slobodu za manipuliranje elektronima. To je "tajna" skeniranja elektronskih mikroskopa, slika na kojoj je, premda izgleda kao da je dobivena u konvencionalnom svjetlosnom mikroskopu, napravljena tako samo radi praktičnosti operatera, ali dobivena je računalnom analizom karakteristika interakcije elektronskog snopa s zasebnim rasterom (pikselom) na uzorci koji se naknadno skeniraju. Interakcija elektrona s tijelom omogućuje preslikavanje površine u pogledu svojstava reljefa, kemijskog sastava, pa čak i luminiscencije. Elektronske zrake mogu prolaziti kroz tanke uzorke,što vam omogućuje uvid u unutarnju strukturu takvih objekata - sve do atomskih slojeva.
Ovo su glavne metode za razlikovanje i ispitivanje geometrije objekata na nanorazini. Postoje i drugi, ali oni rade s cijelim sustavima nanočetaka, izračunavajući njihove parametre statistički. Ovdje je rendgenska difraktometrija praha, koja vam omogućuje da saznate ne samo fazni sastav praha, već i nešto o raspodjeli kristala u veličini; i elipsometrija, koja karakterizira debljinu tankih filmova (stvar koja je nezamjenjiva u stvaranju elektronike, u kojoj se arhitektura sustava stvara uglavnom u slojevima); i sorpcijske metode za analizu specifične površine. Jezik se može slomiti s imenima nekih metoda: dinamičko raspršenje svjetla, elektroakustična spektroskopija, relaksometrija nuklearne magnetske rezonance (međutim, jednostavno se naziva NMR relaksometrija).
Ali to nije sve. Na primjer, naboj se može prenijeti na nanočestice koje se kreću u zraku, tada se može uključiti elektrostatičko polje i, ovisno o tome kako čestica odbije, može se izračunati njena aerodinamička veličina (njezina sila trenja o zraku ovisi o veličini čestice). Usput, na sličan način veličina nanočestica određuje se u već spomenutoj metodi dinamičkog raspršivanja svjetlosti, analizira se samo brzina u Brownovom kretanju, a također i neizravno, od fluktuacija u raspršenju svjetlosti. Dobiva se hidrodinamički promjer čestica. I postoji više od jedne takve "pametne" metode.
Takvo obilje metoda za koje se čini da mjere istu stvar - veličinu, ima jedan zanimljiv detalj. Vrijednost veličine jednog i istog nano-objekta često se razlikuje, ponekad čak i ponekad.
Koja je veličina ispravna?
Vrijeme je da se prisjetimo obične mjeriteljske: rezultati mjerenja, pored stvarne izmjerene vrijednosti, postavljeni su i točnošću mjerenja i metodom kojom je mjerenje izvršeno. U skladu s tim, razlika u rezultatima može se objasniti i različitom točnošću i različitom prirodom izmjerenih vrijednosti. Teza o različitoj prirodi različitih veličina iste nanočestice može se činiti divlji, ali jest. Veličina nanočestice u smislu njezinog ponašanja u vodenoj disperziji nije jednaka njegovoj veličini u smislu adsorpcije plinova na njezinoj površini i nije ista kao njegova veličina u smislu interakcije s elektronskim snopom u mikroskopu. Da ne spominjemo činjenicu da je i za statističke metode nemoguće govoriti o određenoj veličini, već samo o vrijednosti koja karakterizira veličinu. No usprkos tim razlikama (ili čak zahvaljujući njima), svi se ti rezultati mogu smatrati podjednako istinitim, samo govoreći malo o različitim stvarima, gledajući iz različitih uglova. Ali ovi se rezultati mogu usporediti samo s gledišta adekvatnosti oslanjanja na njih u određenim situacijama: za predviđanje ponašanja nanočestica u tekućini prikladnije je koristiti vrijednost hidrodinamičkog promjera i tako dalje.
Sve gore navedeno vrijedi za konvencionalno mjeriteljstvo, pa čak i za sve zapise činjenica, ali to se često zanemaruje. Možemo reći da ne postoje činjenice koje su istinitije i manje istinite, u skladu su sa stvarnošću i manje (osim možda krivotvorenja), ali postoje samo činjenice koje su sve manje i manje primjerene za uporabu u određenoj situaciji, kao i temeljene na sve više i manje ispravna interpretacija za to. Filozofi su to dobro naučili još od vremena pozitivizma: svaka činjenica je teoretski opterećena.