Stepan Lisovsky, ph.d.-studerende ved MIPT, medarbejder ved Institut for Nanometrologi og Nanomaterialer, fortæller om de grundlæggende principper for nanometrologi og funktionerne i forskellige mikroskoper og forklarer, hvorfor partikelstørrelsen afhænger af, hvordan den måles.
Reference tænkning
Til en start - om enkel metrologi. Som en disciplin kunne det have opstået i antikken, da talte mange om foranstaltningen - fra Pythagoras til Aristoteles - men opstod ikke. Metrologi blev ikke en del af det videnskabelige billede af datidens verden på grund af den samme Aristoteles. I mange århundreder fremherskede han prioriteten af en kvalitativ beskrivelse af fænomener frem for en kvantitativ. Alt ændrede sig kun i Newtons tid. Betydningen af fænomener "ifølge Aristoteles" ophørte med at tilfredsstille forskere, og vægten flyttede sig - fra den semantiske del af beskrivelsen til den syntaktiske. Kort sagt blev det besluttet at se på målene og graden af interaktioner mellem tingene og ikke prøve at forstå deres meget essens. Og det viste sig at være meget mere frugtbart. Så kom den fineste times metrologi.
Metrologiens vigtigste opgave er at sikre målingernes ensartethed. Hovedmålet er at frakoble måleresultatet fra alle detaljer: tid, målested, fra hvem der måler, og hvordan han beslutter at gøre det i dag. Som et resultat skulle der kun forblive det, som altid og overalt, uanset hvad som helst, tingene vil høre til - dets objektive mål, som hører til det i kraft af den virkelighed, der er fælles for alle. Hvordan kommer man til tinget? Gennem sin interaktion med måleenheden. Til dette skal der være en samlet målemetode såvel som en standard, den samme for alle.
Så vi har lært at måle - alt, hvad der er tilbage, er at alle andre mennesker i verden måler på samme måde som vi gør. Dette kræver, at de alle bruger den samme metode og bruger de samme standarder. Folk indså hurtigt de praktiske fordele ved at indføre et enkelt foranstaltningssystem og blev enige om at begynde at forhandle. Det metriske målesystem dukkede op, som gradvist spredte sig til næsten hele verden. I Rusland hører forresten fortjenesten ved at indføre metrologisk støtte til Dmitry Mendeleev.
Måleresultatet ud over den faktiske værdi af mængden er også en tilgang, der udtrykkes i måleenheder. Således vil en målt måler aldrig blive en Newton, og en ohm bliver aldrig en tesla. Det vil sige, at forskellige mængder indebærer en anden karakter af målingen, men det er selvfølgelig ikke altid tilfældet. En meter tråd viser sig at være en meter både med hensyn til dets rumlige egenskaber og med hensyn til konduktivitet og med hensyn til massen af stoffet i det. Én mængde er involveret i forskellige fænomener, og dette letter arbejdet i en metrolog i høj grad. Selv energi og masse viste sig at være ækvivalent i en vis grad, derfor måles massen af supermassive partikler med hensyn til den energi, der kræves for at skabe den.
Salgsfremmende video:
Ud over værdien på mængden og måleenheden er der flere flere vigtige faktorer, som du har brug for at vide om hver måling. Alle af dem er indeholdt i en specifik målingsteknik valgt til det tilfælde, vi har brug for. Alt er placeret i det: standardprøver og nøjagtighedsklassen af instrumenter og endda forskernes kvalifikationer. Når vi ved, hvordan vi leverer alt dette, baseret på metodologien, kan vi udføre korrekte målinger. I sidste ende giver anvendelsen af teknikken garanterede dimensioner af målefejlen, og hele måleresultatet reduceres til to tal: værdien og dens fejl, som forskere normalt arbejder med.
Mål det usynlige
Nanometrologi fungerer efter næsten de samme love. Men der er et par nuancer, der ikke kan ignoreres. For at forstå dem, skal du forstå nanoworldens processer og forstå, hvad der faktisk er deres funktion. Med andre ord, hvad der er så specielt ved nanoteknologi.
Vi skal naturligvis starte med dimensioner: En nanometer pr. Meter er omtrent den samme som en kineser i Kinas befolkning. Denne skala (mindre end 100 nm) tillader en hel række nye effekter. Her er virkningerne af kvantefysik, herunder tunneling, og interaktion med molekylære systemer, biologisk aktivitet og kompatibilitet, og en overudviklet overflade, hvis volumen (mere præcist det nærmeste overfladelag) kan sammenlignes med det samlede volumen af selve nanoobjektet. Disse egenskaber er en skattekiste af muligheder for nanoteknologen og på samme tid nanometrologens forbandelse. Hvorfor?
Pointen er, at nanoobjekter på grund af tilstedeværelsen af specialeffekter kræver helt nye tilgange. De kan ikke ses optisk i klassisk forstand på grund af den grundlæggende begrænsning af den opløsning, der kan opnås. Fordi det er strengt bundet til bølgelængden af synlig stråling (du kan bruge interferens og så videre, men alt dette er allerede eksotisk). Der er flere grundlæggende løsninger på dette problem.
Det hele startede med en autoelektronisk projektor (1936), som senere blev ændret til en autoionisk (1951). Princippet for dens funktion er baseret på den retlinede bevægelse af elektroner og ioner under virkningen af en elektrostatisk kraft rettet fra nanoskala-katoden til anodeskærmen med de makroskopiske dimensioner, vi allerede har brug for. Det billede, vi ser på skærmen, dannes ved eller i nærheden af katoden på grund af visse fysiske og kemiske processer. Først og fremmest er dette ekstraktionen af feltelektroner fra katodens atomstruktur og polarisering af atomer i den "billeddannende" gas nær katodespidsen. Efter at have dannet sig, projiceres billedet i form af en bestemt fordeling af ioner eller elektroner på skærmen, hvor det manifesteres af kræfterne i fluorescens. På denne elegante måde kan du se på nanostrukturen af tipene lavet af visse metaller og halvledere,men elegancen af løsningen her er bundet til for stramme begrænsninger for, hvad vi kan se, så disse projektorer er ikke blevet meget populære.
En anden løsning var den bogstavelige fornemmelse af overfladen, der først blev realiseret i 1981 i form af et scanning-mikroskop, der blev tildelt Nobelprisen i 1986. Som du gætter fra navnet, scannes overfladen, der skal undersøges, med en sonde, som er en spids nål.
Scanning Probe Microscope
© Max Planck Institut for Solid State Research
En interaktion opstår mellem spidsen og overfladestrukturen, som kan bestemmes med høj nøjagtighed, selv ved hjælp af kraften, der virker på sonden, selv ved den opstående afbøjning af sonden, selv ved ændringen i frekvensen (fase, amplitude) af sondens svingninger. Den indledende interaktion, der bestemmer evnen til at udforske næsten ethvert objekt, det vil sige metodens universalitet, er baseret på den frastødende kraft, der opstår fra kontakt og på lang række af van der Waals-kræfter. Du kan bruge andre kræfter og endda den nye tunneleringsstrøm, der kortlægger overfladen ikke kun set fra den rumlige placering på overfladen af nanoobjekter, men også deres andre egenskaber. Det er vigtigt, at selve sonden er nanoskala, ellers scanner sonden ikke overfladen,og overfladen er en sonde (i kraft af Newtons tredje lov bestemmes samspillet af både genstande og på en måde symmetrisk). Men i det store og hele viste sig denne metode at være både universel og besidde det bredeste udvalg af muligheder, så den blev en af de vigtigste i studiet af nanostrukturer. Dens største ulempe er, at det er ekstremt tidskrævende, især sammenlignet med elektronmikroskoper.
Elektronmikroskoper er for øvrigt også sonde-mikroskoper, kun en fokuseret elektronstråle fungerer som en sonde i dem. Brug af et linsesystem gør det konceptuelt ligner optisk, skønt ikke uden større forskelle. Først og fremmest: en elektron har en kortere bølgelængde end en foton på grund af dens massivitet. Naturligvis hører bølgelængderne her ikke til partiklerne, elektronet og fotonen, men karakteriserer opførslen af de bølger, der svarer til dem. En anden vigtig forskel: samspillet mellem kroppe med fotoner og med elektroner er ganske forskelligt, skønt ikke blottet for fælles træk. I nogle tilfælde er informationen, der er opnået fra interaktion med elektroner, endnu mere meningsfuld end fra interaktion med lys - den modsatte situation er imidlertid ikke ualmindelig.
Og den sidste ting, der skal være opmærksom på, er forskellen mellem optiske systemer: Hvis materialekropper traditionelt er linser til lys, så er dette for elektronstråler elektromagnetiske felter, hvilket giver større frihed til at manipulere elektroner. Dette er den "hemmelighed" ved scanning af elektronmikroskoper, hvilket billede, selvom det ser ud som om det blev opnået i et konventionelt lysmikroskop, er lavet således kun for operatørens bekvemmelighed, men opnås fra en computeranalyse af egenskaberne ved interaktionen af en elektronstråle med en separat raster (pixel) på prøver, der efterfølgende scannes. Interaktionen af elektroner med et legeme gør det muligt at kortlægge overfladen med hensyn til lindring, kemisk sammensætning og endda luminescensegenskaber. Elektronstråler er i stand til at passere gennem tynde prøver,som giver dig mulighed for at se den interne struktur i sådanne genstande - ned til atomlag.
Dette er de vigtigste metoder til at skelne og undersøge geometrien for objekter på nanoskala-niveau. Der er andre, men de arbejder med hele systemer af nanoobjekter og beregner deres parametre statistisk. Her er røntgendiffraktometri af pulvere, der giver dig mulighed for ikke at finde ud af pulversammensætningen, men også noget ved størrelsesfordelingen af krystaller; og ellipsometri, der kendetegner tykkelsen af tynde film (en ting, der er uerstattelig i oprettelsen af elektronik, hvor systemernes arkitektur hovedsageligt oprettes i lag); og gassorptionsmetoder til analyse af specifikt overfladeareal. Sproget kan brydes med navnene på nogle metoder: dynamisk lysspredning, elektroakustisk spektroskopi, nukleær magnetisk resonansrelaxometri (det kaldes imidlertid blot NMR-relaxometri).
Men det er ikke alt. For eksempel kan en ladning overføres til en nanopartikel, der bevæger sig i luft, hvorefter et elektrostatisk felt kan tændes, og afhængigt af hvordan partiklen afbøjes, kan dens aerodynamiske størrelse beregnes (dens friktionskraft mod luft afhænger af partikelstørrelsen). Forresten, på en lignende måde, bestemmes størrelsen af nanopartikler i den allerede nævnte metode til dynamisk lysspredning, kun hastigheden i brunsk bevægelse analyseres, og indirekte, fra udsving i lysspredning. Den hydrodynamiske partikeldiameter opnås. Og der er mere end en sådan "kloge" metoder.
En sådan overflod af metoder, der ser ud til at måle den samme ting - størrelse, har en interessant detalje. Værdien af størrelsen på en og samme nano-objekt varierer ofte, undertiden endda til tider.
Hvilken størrelse er korrekt?
Det er tid til at huske almindelig metrologi her: måleresultaterne ud over den faktiske målte værdi er også indstillet af målepræcisionen og metoden, hvorpå målingen blev udført. Følgelig kan forskellen i resultaterne forklares med både forskellig nøjagtighed og den målte værdiers forskellige karakter. Tesen om den forskellige natur i forskellige størrelser af den samme nanopartikel kan virke vild, men det er den også. Størrelsen af en nanopartikel med hensyn til dens opførsel i en vandig dispersion er ikke den samme som dens størrelse med hensyn til adsorption af gasser på dens overflade og er ikke den samme som dens størrelse med hensyn til interaktion med en elektronstråle i et mikroskop. For ikke at nævne det faktum, at det for statistiske metoder heller ikke er muligt at tale om en bestemt størrelse, men kun om en værdi, der kendetegner størrelsen. Men trods disse forskelle (eller endda takket være dem), kan alle disse resultater betragtes som lige sande, bare ved at sige lidt om forskellige ting, set ud fra forskellige vinkler. Men disse resultater kan kun sammenlignes fra synspunktet om, hvorvidt de er afhængige af dem i visse situationer: at forudsige opførslen af en nanopartikel i en væske er det mere tilstrækkeligt at bruge værdien af den hydrodynamiske diameter osv.
Alt det ovenstående gælder for konventionel metrologi og endda for enhver fortegnelse over fakta, men dette overses ofte. Vi kan sige, at der ikke er nogen kendsgerninger, der er mere sandt og mindre sandt, mere konsistent med virkeligheden og mindre (undtagen måske forfalskning), men der er kun fakta, der er mere og fakta, der er mindre passende til brug i en bestemt situation, men som er baseret på mere og mindre den korrekte fortolkning for dette. Filosoffer har lært dette godt siden positivismens tid: enhver kendsgerning er teoretisk belastet.