Stepan Lisovsky, student doktorského studia na MIPT, zaměstnanec Ústavu nanometrologie a nanomateriálů, hovoří o základních principech nanometrologie a funkcích různých mikroskopů a vysvětluje, proč velikost částic závisí na způsobu měření.
Referenční myšlení
Pro začátek - o jednoduché metrologii. Jako kázeň mohla vzniknout ve starověku, pak se mnozí hádali o opatření - od Pythagoras po Aristoteles - ale nevznikli. Metrologie se nepodařilo stát se součástí tehdejšího vědeckého obrazu světa kvůli stejnému Aristotelesovi. Po mnoho staletí stanovil prioritu kvalitativního popisu jevů před kvantitativním. Všechno se změnilo pouze v Newtonově době. Význam jevů „podle Aristotela“přestal uspokojovat vědce a důraz se posunul - od sémantické části popisu k syntaktické. Jednoduše řečeno, bylo rozhodnuto podívat se na míru a míru interakce mezi věcmi a nesnažit se pochopit jejich podstatu. A ukázalo se, že je mnohem plodnější. Pak přišla nejlepší hodina metrologie.
Nejdůležitějším úkolem metrologie je zajistit jednotnost měření. Hlavním cílem je oddělit výsledek měření od všech podrobností: času, místa měření, od toho, kdo měří a jak se to dnes rozhodne. V důsledku toho by mělo zůstat pouze to, co vždy a všude, bez ohledu na cokoli, to bude patřit - jeho objektivní míra, která mu náleží na základě skutečnosti, která je společná pro všechny. Jak se k té věci dostat? Interakcí s měřicím zařízením. K tomu musí existovat jednotná metoda měření, stejně jako standard, stejný pro všechny.
Takže jsme se naučili měřit - vše, co zbývá, je, aby všichni ostatní lidé na světě měřili stejným způsobem jako my. To vyžaduje, aby všichni používali stejnou metodu a používali stejné standardy. Lidé si rychle uvědomili praktické výhody zavedení jednotného systému opatření a souhlasili se zahájením vyjednávání. Objevil se metrický systém měření, který se postupně rozšířil do téměř celého světa. V Rusku mimochodem, přínos zavedení metrologické podpory patří Dmitrijovi Mendeleevovi.
Výsledkem měření je kromě skutečné hodnoty veličiny také přístup vyjádřený v jednotkách měření. Měřený metr se tak nikdy nestane Newtonem a ohm se nikdy nestane společností tesla. To znamená, že různé veličiny znamenají odlišnou povahu měření, ale to samozřejmě není vždy pravda. Měřič drátu se ukazuje jako metr jak z hlediska svých prostorových charakteristik, tak z hlediska vodivosti a z hlediska hmotnosti látky v něm. Jedno množství je zapojeno do různých jevů, což velmi usnadňuje práci metrologa. I energie a hmota se ukázaly být do jisté míry rovnocenné, a proto se hmotnost supermasivních částic měří podle energie potřebné k jejímu vytvoření.
Propagační video:
Kromě hodnoty veličiny a jednotky jejího měření existuje několik důležitějších faktorů, které potřebujete vědět o každém měření. Všechny jsou obsaženy ve specifické měřící technice vybrané pro případ, který potřebujeme. Všechno je v něm stanoveno: standardní vzorky, třída přesnosti nástrojů a dokonce i kvalifikace výzkumníků. Víme, jak to vše poskytnout, na základě metodiky, můžeme provádět správná měření. Nakonec, použití této techniky nám dává zaručené rozměry chyby měření a celý výsledek měření je snížen na dvě čísla: hodnota a její chyba, se kterou vědci obvykle pracují.
Změřte neviditelné
Nanometrologie funguje téměř podle stejných zákonů. Existuje však několik nuancí, které nelze ignorovat. Abyste jim porozuměli, musíte pochopit procesy nanosvěta a pochopit, co je ve skutečnosti jejich rysem. Jinými slovy, co je tak zvláštního na nanotechnologii.
Musíme samozřejmě začít s rozměry: jeden nanometr na metr je přibližně stejný jako jeden Číňan v čínské populaci. Tato stupnice (méně než 100 nm) umožňuje celou řadu nových efektů. Zde jsou účinky kvantové fyziky, včetně tunelování, a interakce s molekulárními systémy a biologické aktivity a kompatibility, a přerostlého povrchu, jehož objem (přesněji vrstva blízkého povrchu), srovnatelné s celkovým objemem samotného nanoobjektu. Tyto vlastnosti jsou pokladem příležitostí pro nanotechnologa a zároveň prokletím nanometrologa. Proč?
Jde o to, že v důsledku přítomnosti speciálních efektů vyžadují nanoobjekty zcela nové přístupy. Nelze je vidět opticky v klasickém slova smyslu kvůli zásadnímu omezení rozlišení, kterého lze dosáhnout. Protože je přísně vázána na vlnovou délku viditelného záření (můžete použít rušení atd., Ale to vše je již exotické). Existuje několik základních řešení tohoto problému.
Všechno to začalo s autoelektronickým projektorem (1936), který byl později upraven na autoiontový (1951). Princip jeho činnosti je založen na přímočarém pohybu elektronů a iontů působením elektrostatické síly směrované z nanočástice katody na anodovou obrazovku makroskopických rozměrů, které již potřebujeme. Obrázek, který pozorujeme na obrazovce, se vytváří na katodě nebo v její blízkosti kvůli určitým fyzikálním a chemickým procesům. Zaprvé se jedná o extrakci polních elektronů z atomové struktury katody a polarizaci atomů „zobrazovacího“plynu poblíž špičky katody. Po vytvoření se obraz ve formě určité distribuce iontů nebo elektronů promítne na obrazovku, kde se projeví fluorescenčními silami. Tímto elegantním způsobem se můžete podívat na nanostrukturu špiček vyrobených z určitých kovů a polovodičů,ale elegance řešení je zde spojena s příliš přísnými omezeními toho, co můžeme vidět, takže se tyto projektory nestaly velmi populární.
Dalším řešením byl doslovný smysl povrchu, poprvé realizovaný v roce 1981 ve formě rastrovacího mikroskopu, který získal Nobelovu cenu v roce 1986. Jak byste asi mohli uhodnout z názvu, skenovaný povrch je skenován sondou, která je špičatou jehlou.
Skenovací sondový mikroskop
© Max Planck Institute for Solid State Research
K interakci mezi špičkou a povrchovou strukturou, která může být stanovena s vysokou přesností i silou působící na sondu, a to i vznikajícím vychýlením sondy, dokonce změnou frekvence (fáze, amplituda) kmitání sondy. Počáteční interakce, která určuje schopnost prozkoumat téměř jakýkoli objekt, tj. Univerzálnost metody, je založena na odpudivé síle, která vzniká při kontaktu a na dálkových van der Waalsových silách. Je možné použít i jiné síly, a to i vznikající tunelový proud, mapující povrch nejen z hlediska prostorového umístění na povrchu nanoobjektů, ale také jejich dalších vlastností. Je důležité, aby samotná sonda byla nanorozměrná, jinak sonda nebude skenovat povrch,a povrch je sonda (podle Newtonova třetího zákona je interakce určena oběma objekty a v jistém smyslu symetricky). Celkově se však ukázalo, že tato metoda je univerzální a má nejširší škálu možností, takže se stala jednou z hlavních studií nanostruktur. Jeho hlavní nevýhodou je, že je mimořádně časově náročná, zejména ve srovnání s elektronovými mikroskopy.
Elektronové mikroskopy, mimochodem, jsou také sondovými mikroskopy, v nich jako sonda působí pouze zaostřený elektronový paprsek. Díky použití systému čoček je koncepčně podobný optickému, i když ne bez větších rozdílů. Zaprvé a především: elektron má kvůli své masivitě kratší vlnovou délku než foton. Vlnové délky samozřejmě nepatří k vlastním částicím, elektronu a fotonu, ale charakterizují chování odpovídajících vln. Další důležitý rozdíl: interakce těl s fotony a elektrony je zcela odlišná, i když nemá společné rysy. V některých případech je informace získaná z interakce s elektrony ještě významnější než z interakce se světlem - opačná situace však není neobvyklá.
A poslední věcí, které je třeba věnovat pozornost, je rozdíl mezi optickými systémy: pokud jsou hmotná těla tradičně čočkami světla, pak pro elektronové paprsky jsou to elektromagnetická pole, která dává větší volnost manipulaci s elektrony. Toto je „tajemství“rastrovacích elektronových mikroskopů, obraz, na kterém, i když vypadá, že byl získán v konvenčním světelném mikroskopu, je vyroben pouze pro pohodlí operátora, ale je získán z počítačové analýzy charakteristik interakce elektronového paprsku se samostatným rastrem (pixelem) na vzorky, které jsou následně naskenovány. Interakce elektronů s tělem umožňuje zmapovat povrch z hlediska reliéfu, chemického složení a dokonce i luminiscenčních vlastností. Elektronové paprsky jsou schopné procházet tenkými vzorky,což umožňuje vidět vnitřní strukturu takových objektů - až po atomové vrstvy.
Toto jsou hlavní metody pro rozlišování a zkoumání geometrie objektů na úrovni nanočástic. Existují další, ale pracují s celými systémy nanoobjektů a statisticky vypočítávají své parametry. Zde je rentgenová difraktometrie prášků, která vám umožní zjistit nejen fázové složení prášku, ale také něco o distribuci velikostí krystalů; a elipsometrie, která charakterizuje tloušťku tenkých vrstev (věc, která je nenahraditelná při vytváření elektroniky, ve které je architektura systémů vytvářena hlavně ve vrstvách); a metody sorpce plynů pro analýzu specifického povrchu. Jazyk lze rozbít jmény některých metod: dynamický rozptyl světla, elektroakustická spektroskopie, jaderná magnetická rezonanční relaxometrie (ale jednoduše se nazývá NMR relaxometrie).
Ale to není všechno. Například může být náboj přenesen na nanočástici pohybující se ve vzduchu, po které může být zapnuto elektrostatické pole a v závislosti na tom, jak je částice odkloněna, může být vypočtena její aerodynamická velikost (její třecí síla vůči vzduchu závisí na velikosti částic). Obdobně se stejným způsobem určuje velikost nanočástic u již zmiňované metody dynamického rozptylu světla, analyzuje se pouze rychlost v Brownově pohybu a navíc nepřímo z fluktuací rozptylu světla. Získá se hydrodynamický průměr částic. A existuje více než jedna taková „chytrá“metoda.
Takové množství metod, které, jak se zdá, měří stejnou věc - velikost, má jeden zajímavý detail. Hodnota velikosti jednoho a stejného nanoobjektu se často liší, někdy dokonce i někdy.
Jaká je správná velikost?
Je čas si vzpomenout na běžnou metrologii: výsledky měření, kromě skutečné naměřené hodnoty, jsou také stanoveny přesností měření a způsobem, kterým bylo měření provedeno. V důsledku toho lze rozdíl ve výsledcích vysvětlit jak různou přesností, tak odlišnou povahou měřených hodnot. Teze o různé povaze různých velikostí stejného nanočástice se může zdát divoká, ale je. Velikost nanočástice z hlediska jejího chování ve vodné disperzi není stejná jako její velikost z hlediska adsorpce plynů na jejím povrchu a není stejná jako její velikost z hlediska interakce s elektronovým paprskem v mikroskopu. Nemluvě o skutečnosti, že u statistických metod nelze mluvit ani o určité velikosti, ale pouze o hodnotě, která velikost charakterizuje. Ale i přes tyto rozdíly (nebo dokonce díky nim) lze všechny tyto výsledky považovat za stejně pravdivé, jen říci něco o různých věcech, hledějících z různých úhlů. Tyto výsledky však lze srovnávat pouze z hlediska přiměřenosti spolehlivosti na ně v určitých situacích: pro předpovídání chování nanočástic v kapalině je vhodnější použít hodnotu hydrodynamického průměru atd.
To vše platí pro konvenční metrologii a dokonce i pro jakékoli fakta, ale často se to přehlíží. Můžeme říci, že neexistují žádná fakta, která jsou pravdivější a méně pravdivá, více konzistentní s realitou a méně (s výjimkou snad padělání), ale existují pouze fakta, která jsou více a fakta méně vhodná pro použití v konkrétní situaci, a která jsou také založena na více a méně správný výklad. Filozofové se to od doby pozitivismu naučili dobře: každá skutečnost je teoreticky zatížena.