Stepan Lisovsky, doctorand la MIPT, angajat al Departamentului de Nanometrologie și Nanomateriale, vorbește despre principiile de bază ale nanometrologiei și funcțiile diferitelor microscopuri și explică de ce mărimea particulelor depinde de modul în care este măsurată.
Gândire de referință
Pentru început - despre metrologia simplă. Ca disciplină, ar fi putut să apară în antichitate, apoi mulți s-au certat în legătură cu măsura - de la Pitagora la Aristotel - dar nu au apărut. Metrologia nu a reușit să devină parte din tabloul științific al lumii de atunci din cauza aceluiași Aristotel. Timp de mai multe secole, el a stabilit prioritatea unei descrieri calitative a fenomenelor decât una cantitativă. Totul s-a schimbat doar pe vremea lui Newton. Sensul fenomenelor „conform lui Aristotel” a încetat să mai satisfacă oamenii de știință, iar accentul s-a schimbat - de la partea semantică a descrierii la cea sintactică. Mai simplu spus, s-a decis să analizeze măsura și gradul de interacțiuni dintre lucruri și să nu încerce să le înțeleg esența. Și s-a dovedit a fi mult mai roditor. Apoi a venit cea mai frumoasă oră de metrologie.
Cea mai importantă sarcină a metrologiei este de a asigura uniformitatea măsurătorilor. Scopul principal este de a decupla rezultatul măsurării de la toate detaliile: timp, loc de măsurare, de la cine măsoară și cum decide să o facă astăzi. Drept urmare, ar trebui să rămână doar ceea ce întotdeauna și oriunde, indiferent de orice, lucrurile vor aparține - măsura sa obiectivă, care îi aparține în virtutea realității care este comună tuturor. Cum să ajungi la lucru? Prin interacțiunea sa cu dispozitivul de măsurare. Pentru aceasta, trebuie să existe o metodă de măsurare unificată, precum și un standard, același pentru toți.
Deci, am învățat să măsurăm - tot ce rămâne este ca toți ceilalți oameni din lume să măsoare în același mod ca și noi. Aceasta necesită ca toți să folosească aceeași metodă și să folosească aceleași standarde. Oamenii au realizat rapid avantajele practice ale introducerii unui singur sistem de măsuri și au convenit să înceapă negocierea. A apărut sistemul metric de măsurare, care s-a răspândit treptat în aproape întreaga lume. În Rusia, apropo, meritul introducerii sprijinului metrologic îi revine lui Dmitri Mendeleev.
Rezultatul măsurării, pe lângă valoarea reală a cantității, este și o abordare exprimată în unități de măsură. Deci, un contor măsurat nu va deveni niciodată un Newton și un ohm - un tesla. Adică, cantități diferite implică o natură diferită a măsurătorii, dar, desigur, nu este întotdeauna cazul. Un metru de sârmă se dovedește a fi un contor atât în ceea ce privește caracteristicile sale spațiale, cât și în ceea ce privește conductivitatea, cât și în ceea ce privește masa substanței din ea. O singură cantitate este implicată în diferite fenomene, iar acest lucru facilitează foarte mult activitatea unui metrolog. Chiar și energia și masa s-au dovedit a fi echivalente într-o anumită măsură, prin urmare, masa particulelor supermasive este măsurată în ceea ce privește energia necesară creării acesteia.
Video promotional:
Pe lângă valoarea cantității și a unității de măsurare, există mai mulți factori mai importanți, pe care trebuie să-i cunoașteți despre fiecare măsurare. Toate acestea sunt cuprinse într-o tehnică de măsurare specifică aleasă pentru cazul de care avem nevoie. Totul este stabilit în el: eșantioane standard și clasa de precizie a instrumentelor și chiar calificările cercetătorilor. Știind să oferim toate acestea, pe baza metodologiei, putem efectua măsurători corecte. În cele din urmă, aplicarea tehnicii ne oferă dimensiuni garantate ale erorii de măsurare, iar întregul rezultat al măsurării este redus la două numere: valoarea și eroarea ei, cu care lucrează de obicei oamenii de știință.
Măsurați invizibilul
Nanometrologia funcționează după aceleași legi. Dar există câteva nuanțe care nu pot fi ignorate. Pentru a le înțelege, trebuie să înțelegeți procesele din nano-lume și să înțelegeți care, de fapt, este caracteristica lor. Cu alte cuvinte, ce este atât de special în nanotehnologie.
Desigur, trebuie să începem cu dimensiuni: un nanometru pe metru este aproximativ același ca un chinez în populația Chinei. Această scară (mai mică de 100 nm) permite o serie întreagă de efecte noi. Aici, efectele fizicii cuantice, inclusiv tunelarea, și interacțiunea cu sistemele moleculare, și activitatea și compatibilitatea biologică, precum și o suprafață supra dezvoltată, al cărei volum (mai precis, stratul de suprafață apropiată) este comparabil cu volumul total al nanoobiectului însuși. Aceste proprietăți reprezintă un tezaur de oportunități pentru nanotehnolog și, în același timp, blestemul nanometrologului. De ce?
Ideea este că, datorită prezenței efectelor speciale, nanoobiectele necesită abordări complet noi. Ele nu pot fi văzute optic în sensul clasic din cauza limitării fundamentale a rezoluției care poate fi obținută. Deoarece este strict legată de lungimea de undă a radiațiilor vizibile (puteți utiliza interferențe și așa mai departe, dar toate acestea sunt deja exotice). Există mai multe soluții de bază pentru această problemă.
Totul a început cu un proiector auto-electronic (1936), care a fost ulterior modificat într-un auto-ionic (1951). Principiul funcționării sale se bazează pe mișcarea rectilinie a electronilor și ionilor sub acțiunea unei forțe electrostatice îndreptate de la catodul nano-scală spre ecranul anodic al dimensiunilor macroscopice de care avem deja nevoie. Imaginea pe care o observăm pe ecran este formată la sau lângă catod datorită anumitor procese fizice și chimice. În primul rând, aceasta este extracția electronilor de câmp din structura atomică a catodului și polarizarea atomilor gazului „imagistic” din apropierea vârfului catodului. După ce s-a format, imaginea sub forma unei anumite distribuții de ioni sau electroni este proiectată pe ecran, unde se manifestă prin forțele fluorescenței. În acest mod elegant, puteți privi nanostructura vârfurilor din anumite metale și semiconductori,dar eleganta solutiei de aici este legata de restrictii prea stricte asupra a ceea ce putem vedea, astfel ca aceste proiectoare nu au devenit foarte populare.
O altă soluție a fost sensul literal al suprafeței, realizat pentru prima dată în 1981 sub forma unui microscop sondă de scanare, care a primit premiul Nobel în 1986. După cum puteți ghici din nume, suprafața de examinat este scanată cu o sondă, care este un ac ascuțit.
Microscopul cu sondă de scanare
© Max Planck Institute for Solid State Research
O interacțiune are loc între vârf și structura suprafeței, care poate fi determinată cu o precizie ridicată chiar și prin forța care acționează asupra sondei, chiar și prin devierea apărută a sondei, chiar și prin modificarea frecvenței (fazei, amplitudinii) oscilațiilor sondei. Interacțiunea inițială, care determină capacitatea de a investiga aproape orice obiect, adică universalitatea metodei, se bazează pe forța respulsivă care rezultă din contact și pe forțele van der Waals pe distanțe lungi. Este posibil să se folosească alte forțe, și chiar curentul de tunel emergent, cartografând suprafața nu numai din punct de vedere al locației spațiale de pe suprafața nanoobiectelor, dar și a celorlalte proprietăți ale acestora. Este important ca sonda în sine să fie la scară mică, altfel sonda nu va scana suprafața,iar suprafața este o sondă (în virtutea celei de-a treia legi a lui Newton, interacțiunea este determinată de ambele obiecte și, într-un sens, simetric). În general, această metodă s-a dovedit a fi atât universală, cât și posedând cea mai largă gamă de posibilități, astfel încât a devenit una dintre principalele în studiul nanostructurilor. Dezavantajul său principal este că consumă foarte mult timp, în special în comparație cu microscopele electronice.
Microscoape electronice, apropo, sunt și microscoape sondă, doar un fascicul de electroni focalizat acționează ca o sondă în ele. Utilizarea unui sistem de lentile îl face conceptual similar cu cel optic, deși nu fără diferențe majore. În primul rând și în primul rând: un electron are o lungime de undă mai scurtă decât un foton, datorită masivității sale. Desigur, lungimile de undă de aici nu aparțin particulelor, electronului și fotonului, ci caracterizează comportamentul undelor corespunzătoare acestora. O altă diferență importantă: interacțiunea corpurilor cu fotoni și cu electronii este destul de diferită, deși nu este lipsită de caracteristici comune. În unele cazuri, informațiile obținute din interacțiunea cu electronii sunt chiar mai semnificative decât din interacțiunea cu lumina - cu toate acestea, situația opusă nu este neobișnuită.
Și ultimul lucru la care ar trebui să se acorde atenție este diferența dintre sistemele optice: dacă în mod tradițional corpurile materiale sunt lentile pentru lumină, atunci pentru fasciculele de electroni acestea sunt câmpuri electromagnetice, ceea ce dă o mai mare libertate de manipulare a electronilor. Acesta este „secretul” microscopelor electronice de scanare, imaginea pe care, deși pare că a fost obținută într-un microscop luminos obișnuit, este făcută numai pentru comoditatea operatorului, dar este obținută dintr-o analiză computerizată a caracteristicilor interacțiunii unui fascicul de electroni cu un raster separat (pixel) pe probe care sunt ulterior scanate. Interacția electronilor cu un corp face posibilă cartografierea unei suprafețe din punct de vedere al reliefului, al compoziției chimice și chiar al proprietăților de luminiscență. Grinzile electronice sunt capabile să treacă prin probe subțiri,ceea ce vă permite să vedeți structura internă a acestor obiecte - până la straturile atomice.
Acestea sunt principalele metode pentru distingerea și investigarea geometriei obiectelor la nivel de nano-scală. Există și altele, dar lucrează cu sisteme întregi de nanoobiecte, calculându-și parametrii statistic. Iată difractometria cu raze X a pulberilor, care vă permite să aflați nu numai compoziția de fază a pulberii, ci și ceva despre distribuția dimensiunilor cristalelor; și elipsometrie, care caracterizează grosimea filmelor subțiri (un lucru care este de neînlocuit în crearea electronicelor, în care arhitectura sistemelor este creată în principal în straturi); și metode de absorbție a gazelor pentru analiza suprafeței specifice. Limbajul poate fi rupt cu numele unor metode: împrăștiere dinamică a luminii, spectroscopie electroacustică, relaxometrie cu rezonanță magnetică nucleară (cu toate acestea, se numește pur și simplu relaxometrie RMN).
Dar asta nu este tot. De exemplu, o sarcină poate fi transferată către o nanoparticule care se deplasează în aer, după care un câmp electrostatic poate fi pornit și, în funcție de modul în care particulele sunt deviate, dimensiunea aerodinamică poate fi calculată (forța de frecare a aerului depinde de mărimea particulelor). Apropo, într-un mod similar, mărimea nanoparticulelor este determinată în metoda deja menționată de împrăștiere dinamică a luminii, doar viteza în mișcare browniană este analizată și, în plus, indirect, din fluctuațiile de împrăștiere a luminii. Se obține diametrul de particule hidrodinamice. Și există mai multe metode „deștepte”.
O astfel de abundență de metode care par a măsura același lucru - dimensiunea, are un detaliu interesant. Valoarea dimensiunii unuia și aceluiași nano-obiect diferă adesea, uneori chiar uneori.
Ce dimensiune este corectă?
Este momentul să reamintim metrologia obișnuită: rezultatele măsurării, pe lângă valoarea măsurată reală, sunt stabilite și prin precizia de măsurare și metoda prin care s-a efectuat măsurarea. În consecință, diferența de rezultate poate fi explicată atât prin precizie diferită, cât și prin natura diferită a valorilor măsurate. Teza despre natura diferită a diferitelor dimensiuni ale aceleiași nanoparticule poate părea sălbatică, dar este. Mărimea unei nanoparticule în ceea ce privește comportamentul său într-o dispersie apoasă nu este aceeași cu dimensiunea sa în ceea ce privește adsorbția gazelor pe suprafața sa și nu este aceeași cu dimensiunea acesteia în ceea ce privește interacțiunea cu un fascicul de electroni la un microscop. Nu mai vorbim de faptul că pentru metodele statistice este imposibil să vorbim despre o anumită dimensiune, ci doar despre o valoare care caracterizează mărimea. Dar, în ciuda acestor diferențe (sau chiar mulțumită lor), toate aceste rezultate pot fi considerate la fel de adevărate, spunând doar un pic despre lucruri diferite, privind din unghiuri diferite. Dar aceste rezultate pot fi comparate doar din punct de vedere al adecvării dependenței de ele în anumite situații: pentru a prezice comportamentul unei nanoparticule într-un lichid, este mai adecvat să folosești valoarea diametrului hidrodinamic și așa mai departe.
Toate cele de mai sus sunt valabile pentru metrologia convențională și chiar pentru orice înregistrare de fapte, dar acest lucru este adesea trecut cu vederea. Putem spune că nu există fapte care sunt mai adevărate și mai puțin adevărate, mai în concordanță cu realitatea și mai puțin (cu excepția probabil falsului), dar există doar fapte care sunt mai mult și fapte mai puțin adecvate pentru utilizare într-o anumită situație, precum și bazate pe tot mai puțin interpretarea corectă pentru aceasta. Filozofii au învățat acest lucru bine de pe vremea pozitivismului: orice fapt este teoretic încărcat.
