Stepan Lisovsky, MIPT: n jatko-opiskelija, nanometrologian ja nanomateriaalien laitoksen työntekijä, puhuu nanometrologian perusperiaatteista ja erilaisten mikroskooppien toiminnoista ja selittää miksi hiukkaskoko riippuu mittaustavasta.
Viiteajattelu
Ensinnäkin - yksinkertaisesta metrologiasta. Kurinalaisena se olisi voinut syntyä antiikissa, sitten monet väittivät toimenpiteestä - Pythagorasista Aristoteleihin - mutta niitä ei syntynyt. Metrologiasta ei tullut osa tuon ajan maailman tieteellistä kuvaa saman Aristoteleen takia. Useiden vuosisatojen ajan hän asetti ilmiöiden kvalitatiivisen kuvauksen prioriteettina kvantitatiivisen kuvauksen. Kaikki muuttui vasta Newtonin aikoina. Ilmiöiden merkitys "Aristoteleen mukaan" lakattiin tyydyttämästä tutkijoita ja painopiste siirtyi - kuvauksen semanttisesta osasta syntaktiikkaan. Yksinkertaisesti sanottuna päätettiin tarkastella asioiden välistä vuorovaikutuksen mittaa ja astetta eikä yrittää ymmärtää niiden olemusta. Ja se osoittautui paljon hedelmällisemmäksi. Sitten tuli hienoin metrologian tunti.
Tärkein metrologian tehtävä on varmistaa mittausten yhdenmukaisuus. Päätavoitteena on erottaa mittaustulos kaikista tiedoista: ajasta, mittauspaikasta, mistä mittaa ja miten hän päättää tehdä sen tänään. Seurauksena pitäisi olla vain se, johon aina ja kaikkialla, riippumatta, asiat kuuluvat - sen objektiivinen mitta, joka kuuluu siihen kaikkien yhteisen todellisuuden nojalla. Kuinka päästä asiaan? Vuorovaikutuksensa kautta mittauslaitteen kanssa. Tätä varten on oltava yhtenäinen mittausmenetelmä sekä standardi, joka on sama kaikille.
Joten olemme oppineet mittaamaan - kaikkien muiden ihmisten on mitattava vain samalla tavalla kuin mitä meillä on. Tämä edellyttää, että he kaikki käyttävät samaa menetelmää ja samoja standardeja. Ihmiset ymmärsivät nopeasti yhden toimenpidejärjestelmän käyttöönoton käytännön edut ja päättivät aloittaa neuvottelut. Ilmestyi metrinen mittausjärjestelmä, joka levisi vähitellen melkein koko maailmaan. Venäjällä, muuten, metrologisen tuen käyttöönoton ansio kuuluu Dmitri Mendelejeville.
Mittaustulos on määrän todellisen arvon lisäksi myös mittayksiköinä ilmaistu lähestymistapa. Siten mitatusta mittarista ei koskaan tule Newtonia, ja ohmista ei tule koskaan teslaa. Eli eri määrät tarkoittavat mittauksen erilaista luonnetta, mutta tietysti tämä ei aina ole niin. Mittari lankaa osoittautuu mittariksi sekä sen alueellisten ominaisuuksien että johtavuuden ja siinä olevan aineen massan suhteen. Yksi määrä on mukana erilaisissa ilmiöissä, ja tämä helpottaa suuresti metrologin työtä. Jopa energia ja massa osoittautuivat jossain määrin vastaaviksi, joten supermassiivisten hiukkasten massa mitataan sen luomiseen tarvittavalla energialla.
Mainosvideo:
Määräarvon ja sen mittayksikön lisäksi on myös useita tärkeitä tekijöitä, jotka sinun on tiedettävä jokaisesta mittauksesta. Kaikki ne sisältyvät erityiseen mittaustekniikkaan, joka valitaan tarvitsemmemme tapaukselle. Siinä on kaikki asetettu: vakionäytteet ja instrumenttien tarkkuusluokka ja jopa tutkijoiden pätevyys. Tietäen kuinka tämä kaikki tarjotaan metodologian perusteella, voimme suorittaa oikeat mittaukset. Viime kädessä tekniikan soveltaminen antaa meille mitatun virheen taatut mitat ja koko mittaustulos pienenee kahteen lukuun: arvoon ja sen virheeseen, joiden kanssa tutkijat yleensä työskentelevät.
Mittaa näkymätön
Nanometrologia toimii melkein samojen lakien mukaan. Mutta on olemassa muutamia vivahteita, joita ei voida sivuuttaa. Niiden ymmärtämiseksi sinun on ymmärrettävä nanomaailman prosessit ja ymmärrettävä mikä on niiden piirre. Toisin sanoen, mikä on niin erikoista nanoteknologiassa.
Meidän on tietenkin aloitettava mitoista: yksi nanometri metriä kohti on suunnilleen sama kuin yksi kiinalainen Kiinan väestössä. Tämä asteikko (alle 100 nm) sallii kokonaisen sarjan uusia tehosteita. Tässä kvanttifysiikan vaikutukset, mukaan lukien tunnelointi, ja vuorovaikutus molekyylijärjestelmien kanssa, sekä biologinen aktiivisuus ja yhteensopivuus, sekä liian kehittynyt pinta, jonka tilavuus (tarkemmin sanoen pintakerros lähellä) on verrattavissa itse nanoobjektin kokonaistilavuuteen. Nämä ominaisuudet ovat nanoteknologille mahdollisuuksien aarreaitta ja samalla nanometrologistin kirous. Miksi?
Asia on, että erikoistehosteiden läsnäolosta johtuen nanotuotteet vaativat täysin uusia lähestymistapoja. Niitä ei voida nähdä optisesti klassisessa mielessä saavutettavan päätöslauselman perustavanlaatuisen rajoituksen vuoksi. Koska se on tiukasti sidottu näkyvän säteilyn aallonpituuteen (voit käyttää häiriöitä ja niin edelleen, mutta kaikki tämä on jo eksoottista). Tähän ongelmaan on useita perusratkaisuja.
Kaikki alkoi autoelektronisella projektorilla (1936), joka myöhemmin muutettiin auto-ioniseksi (1951). Sen toimintaperiaate perustuu elektronien ja ionien suoraviivaiseen liikkeeseen sähköstaattisen voiman vaikutuksen alaisena, joka suunnataan nanomittakaavan katodista jo tarvitsemiemme makroskooppisten mittojen anodinäyttöön. Kuva, jota tarkkailemme näytöllä, muodostuu katodilla tai lähellä sitä tiettyjen fysikaalisten ja kemiallisten prosessien takia. Ensinnäkin tämä on kenttäelektronien erottaminen katodin atomirakenteesta ja "kuvantamiskaasun" atomien polarisaatio katodin kärjen lähellä. Muodostettuaan kuva tietyn ionien tai elektronien jakauman muodossa projisoidaan näytölle, missä se ilmenee fluoresenssivoimien avulla. Tällä tyylikkäällä tavalla voit tarkastella tietyistä metalleista ja puolijohteista valmistettujen kärkien nanorakennetta,mutta ratkaisun tyylikkyys on sidottu näkemämme liian tiukkoihin rajoituksiin, joten näistä projektorista ei ole tullut kovin suosittua.
Toinen ratkaisu oli pinnan kirjaimellinen merkitys, joka toteutettiin ensimmäisen kerran vuonna 1981 skannausanturimikroskoopilla, joka sai Nobel-palkinnon vuonna 1986. Kuten nimestä voi arvata, tutkittava pinta skannataan koettimella, joka on terävä neula.
Skannausanturimikroskooppi
© Max Planckin solid-state-tutkimuslaitos
Kärjen ja pintarakenteen välillä syntyy vuorovaikutus, joka voidaan määrittää suurella tarkkuudella jopa koettimeen vaikuttavalla voimalla, jopa koettimen syntyvästä taipumasta, jopa koetimen värähtelyjen taajuuden (vaihe, amplitudi) muutoksella. Alkuperäinen vuorovaikutus, joka määrittelee kyvyn tutkia melkein mitä tahansa objektia, ts. Menetelmän universaalia, perustuu kosketuksesta syntyvään torjuvaan voimaan ja pitkän kantaman van der Waals -voimiin. On mahdollista käyttää muita voimia ja jopa syntyvää tunnelivirtaa, joka kartoittaa pintaa paitsi nanosuunnitelmien sijainnin perusteella myös niiden muiden ominaisuuksien suhteen. On tärkeää, että anturi itsessään on nanomittakaavainen, muuten anturi ei skannaa pintaa,ja pinta on koetin (Newtonin kolmannen lain nojalla vuorovaikutus määritetään molemmilla esineillä ja tietyssä mielessä symmetrisesti). Mutta kaiken kaikkiaan tämä menetelmä osoittautui sekä yleismaailmalle että sillä oli laaja valikoima mahdollisuuksia, joten siitä tuli yksi tärkeimmistä nanorakenteiden tutkimuksessa. Sen tärkein haittapuoli on, että se on erittäin aikaa vievä, etenkin verrattuna elektronimikroskoopeihin.
Elektronimikroskoopit ovat muuten myös anturimikroskooppeja, vain keskittynyt elektronisuihku toimii koettimena niissä. Linssijärjestelmän käyttö tekee siitä käsitteellisesti samanlaisen kuin optinen, vaikkakaan ilman suuria eroja. Ensinnäkin: elektronin aallonpituus on lyhyempi kuin fotonin, sen massiivisuuden vuoksi. Tietysti tässä olevat aallonpituudet eivät kuulu hiukkasiin, elektroniin ja fotoniin, vaan kuvaavat niitä vastaavien aaltojen käyttäytymistä. Toinen tärkeä ero: Kehojen vuorovaikutus fotonien ja elektronien kanssa on melko erilainen, vaikka sillä ei olekin yhteisiä piirteitä. Joissakin tapauksissa elektronien kanssa vuorovaikutuksesta saatu tieto on vielä merkityksellisempää kuin vuorovaikutuksesta valon kanssa - päinvastoin tilanne ei ole harvinainen.
Ja viimeinen asia, johon tulisi kiinnittää huomiota, on ero optisissa järjestelmissä: jos materiaalirungot ovat perinteisesti linssejä valolle, niin elektronisuihkulla nämä ovat sähkömagneettisia kenttiä, mikä antaa suuremman vapauden elektronien käsittelyyn. Tämä on skannaavien elektronimikroskooppien "salaisuus", vaikka kuva näyttää siltä kuin se olisi saatu tavallisessa valomikroskoopissa, se on tehty vain käyttäjän mukavuuden vuoksi, mutta se saadaan tietokoneanalyysillä elektronisäteen vuorovaikutuksen ominaisuuksista erillisen rasterin (pikselin) kanssa näytteet, jotka skannataan myöhemmin. Elektronien vuorovaikutus kehon kanssa mahdollistaa pinnan kartoittamisen helpotuksen, kemiallisen koostumuksen ja jopa luminesenssiominaisuuksien suhteen. Elektronisuihkut kykenevät kulkemaan ohuiden näytteiden läpi,jonka avulla voit nähdä tällaisten esineiden sisäisen rakenteen - atomikerroksiin asti.
Nämä ovat päämenetelmiä esineiden geometrian erottamiseksi ja tutkimiseksi nanomittakaavan tasolla. On muitakin, mutta ne toimivat kokonaisten nanopistejärjestelmien kanssa laskemalla niiden parametrit tilastollisesti. Tässä on jauheiden röntgendiffraktometria, jonka avulla voit saada selville jauheen faasikoostumuksen lisäksi myös jotain kiteiden kokojakaumasta; ja ellipsometria, joka kuvaa ohutkalvojen paksuutta (asia, joka on korvaamaton elektroniikan luomisessa, jossa järjestelmien arkkitehtuuri luodaan pääasiassa kerroksittain); ja kaasusorptiomenetelmät tietyn pinta-alan analysoimiseksi. Kieli voidaan rikkoa joidenkin menetelmien nimillä: dynaaminen valonsironta, elektroakustinen spektroskopia, ydinmagneettiresonanssin relaksometria (sitä kuitenkin kutsutaan yksinkertaisesti NMR-relaksometriseksi).
Mutta se ei ole kaikki. Esimerkiksi varaus voidaan siirtää ilmassa liikkuvalle nanohiukkaselle, jonka jälkeen sähköstaattinen kenttä voidaan kytkeä päälle ja hiukkasen taipumustavasta riippuen voidaan laskea sen aerodynaaminen koko (sen kitkavoima ilmaa vasten riippuu hiukkaskoosta). Muuten, samalla tavalla, nanohiukkasten koko määritetään jo mainitussa dynaamisen valonsironnan menetelmässä, vain Brownin liikkeen nopeutta analysoidaan ja lisäksi epäsuorasti valonsironnan vaihtelusta. Hydrodynaaminen hiukkasen halkaisija saadaan. Ja sellaisia "fiksuja" menetelmiä on enemmän kuin yksi.
Tällainen runsas menetelmä, joka näyttää mittaavan samaa asiaa - kokoa, sisältää yhden mielenkiintoisen yksityiskohdan. Yhden ja saman nano-objektin koon arvo vaihtelee usein, joskus jopa toisinaan.
Mikä koko on oikea?
On aika muistaa tavallinen metrologia: mittaustulokset todellisen mitatun arvon lisäksi asetetaan mittaustarkkuuden ja menetelmän avulla, jolla mittaus suoritettiin. Vastaavasti tulosten ero voidaan selittää sekä erilaisella tarkkuudella että mitattujen arvojen erilaisella luonteella. Väitöskirja saman nanohiukkasen eri kokojen erilaisesta luonteesta saattaa vaikuttaa villiltä, mutta se on. Nanopartikkelin koko sen käyttäytymisen suhteen vesidispersiossa ei ole sama kuin sen koko kaasujen adsorptiossa pinnalleen eikä ole sama kuin sen koko suhteessa vuorovaikutukseen elektronisuihkun kanssa mikroskoopissa. Puhumattakaan siitä, että tilastollisissa menetelmissä ei myöskään ole mahdollista puhua tietystä koosta, vaan vain kokoa kuvaavasta arvosta. Mutta näistä eroista huolimatta (tai jopa niiden ansiosta) kaikkia näitä tuloksia voidaan pitää yhtä totta, sanomalla vain vähän eri asioista, eri näkökulmista katsottuna. Mutta näitä tuloksia voidaan verrata vain niiden suhteen riittävän luotettavuuden kannalta tietyissä tilanteissa: Jos haluat ennustaa nestessä olevan nanohiukkasen käyttäytymistä, on tarkoituksenmukaisempaa käyttää hydrodynaamisen halkaisijan arvoa jne.
Kaikki yllä oleva pätee perinteiseen metrologiaan ja jopa kaikkiin tosiseikkoihin, mutta tämä jätetään usein huomiotta. Voimme sanoa, että ei ole tosiasioita, jotka ovat totta ja vähemmän totta, todellisuuden kanssa yhdenmukaisempia ja vähemmän (paitsi ehkä väärentämistä), mutta on vain tosiasioita, jotka ovat enemmän ja tosiasioita, jotka ovat vähemmän sopivia käytettäväksi tietyssä tilanteessa, samoin kuin sellaisia, jotka perustuvat enemmän ja vähemmän oikea tulkinta tälle. Filosofit ovat oppineet tämän hyvin positivismin ajankohdasta lähtien: mikä tahansa tosiasia on teoreettisesti ladattu.