0,6 ангстрема. Таков текущий рекорд разрешения в электронной микроскопии. Группа американских учёных получила прекрасные изображения отдельных атомов лантана, присоединённых к слоям нитрида кремния. За кадром остались титанические усилия, которые потребовались для сотворения этого чуда.
В 1959 году Ричард Фейнман, всемирно известный американский физик, первым предсказал появление нанотехнологий и, так сказать, нанонауки. Тогда он заявил, что эта науку ждёт взлёт, когда разрешение электронных микроскопов вырастет в сто раз. Этот взлёт потребовал 45 лет.
Рекорд поставила научная группа электронной микроскопии (Electron Microscopy Group Condensed Matter Sciences Division) американской национальной лаборатории в Окридже (Oak Ridge National Laboratory - ORNL).
Собственно, планка была взята в прошлом году, и коротко мы об этом говорили . Правда, тогда учёные разглядывали другие элементы. И с тех пор провели много новых опытов. Неважно. Интересно другое: мы раскопали подробности "закулисья" рекордного достижения. Хотите узнать чего стоят эти 0,6 ангстрема?
Но то, что они сделали – удивительно. Они взяли микроскопический кусочек нитрида кремния, покрыли его атомарным слоем лантана, ухитрились сделать разрез этого "пирога" и отсняли его с помощью своего зоркого инструмента.
Разрешение этого изображения достигло 0,6 ангстрема. 1 ангстрем равен 1 десятимиллионной доле миллиметра.
Инструмент – это так называемый Z-контрастный сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации (уф, больше выговаривать это не будем), установленный с полной развязкой от вибраций, акустических и магнитных полей в сравнительно недавно возведённом здании лаборатории передовой микроскопии ORNL (Advanced Microscopy Laboratory).
Надеемся, вы знаете, что такое – электронный микроскоп. В нём вместо лучей света информацию о предмете получает поток электронов, ускоренных высоким напряжением, а вместо линз, фокусирующей оптики и прочего – прецизионные электромагнитные системы."Z-контрастный" означает, что данный аппарат реагирует на атомное число элемента, ярко выделяя тяжёлые атомы на фоне лёгких.
Первый Z-контрастный электронный микроскоп учёные, инженеры и промышленники разрабатывали ещё в 1988 году, при непосредственном участии Пенникука, кстати. В 2001 году электронная микроскопия взяла рубеж разрешения в 0,8 ангстрема. Для шага к 0,6 ангстрема физикам пришлось прыгнуть выше головы.
Например: построить необычное здание, в котором комната с микроскопом висит на специальной подвеске внутри другой комнаты.Там приняты все меры, чтобы свести проникновение внешних магнитных полей до уровня ниже 0,3 миллигаусса, то есть - до уровня в тысячи раз меньшего, чем сила магнитного поля Земли, способного разве что только отклонить стрелку компаса, висящую на игле.
Да что там пылинка. Можно представить, что форточка, открытая где-нибудь неподалёку от прибора или чихнувший сотрудник способны увести настройки прочь – целимся-то мы в отдельные атомы! Потому микроскоп управляется дистанционно из диспетчерской.
Все эти ухищрения позволили группе Пенникука за последнее время сделать массу открытий в поведении сверхпроводников и конструкционных материалов.
Только один пример: разглядывая буквально атом за атомом, как разные элементы выстраиваются друг рядом с другом, учёные раскрыли секрет ломкости лопаток турбины авиадвигателей, покрытых каким-то хитрым стойким составом.
После этого кажутся вполне обоснованными затраты на такие работы. Так, рекордный микроскоп обошёлся ORNL в $3 миллиона, а суперизолированное от внешнего мира здание – в $4,8 миллиона.Сколько стране могут дать новые материалы и вообще – понимание взаимодействия веществ – оценивайте сами.
Долго не могли ученые избавиться от искажений в системе магнитных линз электронного микроскопа, размывающих изображение и ухудшающих остроту электронного зрения…
И все же атом удалось увидеть! Причем электронный микроскоп вынужден был уступить честь этого выдающегося успеха значительно менее сложному прибору - ионному проектору.
Еще в середине двадцатых годов нашего столетия ученые подсчитали, что для превращения атома на поверхности вещества в ион и «холодного» отрыва его от поверхности без какого-либо подогрева необходимо между исследуемым веществом и посторонним электродом создать электрическое поле напряженностью в сто миллиардов вольт на сантиметр! Но в те годы получение столь сильных электрических полей в эксперименте считалось невозможным.
Фотография отдельных атомов в кристалле, полученная с помощью ионного проектора.
В 1936 году немецкий ученый Э. Мюллер доказал, что если исследуемое вещество представляет собой тончайшую иглу, острие которой будет иметь радиус кривизны около 1000 ангстрем, то, создавая между иглой и расположенным напротив электродом разность потенциалов всего в несколько киловольт, можно получить на кончике острия очень большие напряженности электрического поля. Когда острие иглы, приготовленное путем электрохимического травления концов обычных проволочек, связано с отрицательным электродом внешнего напряжения, из него будут вылетать свободные электроны; если острие соединить с положительным электродом - оно станет источником потока ионов. На пути вылетающих частиц можно поставить экран, покрытый люминофором, и получить видимое изображение частиц вещества, испускаемых острием.
В этих приборах, получивших название автоэлектронных микроскопов или ионных проекторов, нет магнитных линз, каких-либо систем фокусировки и развертки изображения. Увеличение в таком компактном и изящном приборе определяется в основном соотношением между радиусами острия и светящегося экрана.
Около двадцати лет длилось усовершенствование этих внешне простых микроскопов - выбирался состав газовых смесей для заполнения пространства между электродами, подбиралась система охлаждения образцов, изучались разнообразные способы непрерывной подачи на острие атомов исследуемого материала. И вот в 1956 году появились научные публикации Э. Мюллера с уникальными фотографиями, позволяющими разглядеть отдельные атомы на выступах поверхности металлических образцов. Лишь в 1970 году, увеличив ускоряющее напряжение в электронном микроскопе до сотен и тысяч киловольт, ученые повысили зоркость и этого прибора до атомных размеров.
На электронной фотографии белка видны плотно упакованные молекулы, соединенные в большой органический кристалл.
Физики продолжают совершенствовать приборы обоих типов. Созданы полезные дополнительные устройства для анализа тонких пленок и слоев на поверхности вещества с помощью электронных и ионных пучков.
В середине экрана автоэлектронного микроскопа исследователи сделали небольшое отверстие, пропустили в него часть сорванных с кончика острия ионов, разогнали их в магнитном поле и по величине отклонения от прямолинейного пути определили заряд и массу иона.
Направляя на поверхность образцов в электронном микроскопе не один электронный луч, а несколько, ученые смогли увидеть на экране изображение сразу всей кристаллической решетки в твердом теле. Электронные микроскопы нового поколения дали возможность японскому физику А. Хашимото проследить за движением атомов по поверхности вещества, а советским ученым Н. Д. Захарову и В. Н. Рожанскому - наблюдать смещения атомов внутри кристаллов.
Исследуя пленки золота, А. Хашимото сумел различить детали структуры кристаллов длиной в одну десятую ангстрема. Это уже во много раз меньше размера отдельного атома!
Теперь ученые могут перейти к исследованию мельчайших сдвигов во взаимном расположении отдельных атомов в самых больших и разветвленных органических молекулах, особенно в «молекулах жизни», передающих наследственные признаки живых существ от поколения к поколению, таких, как дезоксирибонуклеиновая кислота, чаще именуемая сокращенно ДНК.
В известном стихотворении О. Э. Мандельштама есть строчка: «Я и садовник, я же и цветок…»
Создавая все более совершенные инструменты для познания внешнего мира, физики все чаще обращаются к проникновению в тайны живого, понимая, что человек - самый сложный и непонятный цветок на свете.
В самом деле, автор РТЧ в своих «размышлизмах» зашёл так далеко, что впору вызывать тяжёлую контраргументацию, а именно – данные эксперимента японских учёных по фотографированию атома водорода, о котором стало известно 4 ноября 2010 года. На снимке хорошо видна атомная форма, подтверждающая как дискретность, так и округлость атомов: «Группа учёных и специалистов Токийского университета впервые в мире сфотографировала отдельный атом водорода – самый лёгкий и самый маленький из всех атомов, сообщают информагентства.Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.
По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .
Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.
Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.
Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.
В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.
При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.
Nion Hermes Scanning Transmission Electron Microscope стоит 3,7 млн фунтов стерлингов ($ 5,5 млн) и позволяет увидеть объекты в миллион раз меньше человеческого волоса. Главный фокус электронного микроскопа заключается в том, что вместо пучка фотонов, как обычные световые микроскопы, он использует пучок электронов. Длина волн электронов меньше, что и позволяет получать большее увеличение при лучшем разрешении.
Что до области применения подобного устройства, то она обширна. Возьмем, для начала, электротехнику. Все предпочитают компактные носимые девайсы. Наши гаджеты становятся меньше день ото дня. Для их создания необходимы транзисторы, полупроводники и пр. детали, но чтобы создавать такие миниатюрные изделия необходимо уметь оперировать материалами на уровне атомов. Ведь если в структуру, к примеру, графена, двумерного листа атомов углерода, добавить лишний атом, изменится сам материал! Поэтому, необходим особый атомарный контроль, сохраняющий целостность материала.
Ученые в лаборатории SuperSTEM развивают свой проект с дисульфид молибденом. Это другой 2D материал, наподобие графена. Он используется в качестве промышленного катализатора, например, для удаления серы из ископаемого топлива. Датская химическая компания Haldor Topsoe использует электронные микроскопы, чтобы изучить, как переставляя атомы дисульфид молибдена, можно повлиять на его каталитические свойства.
Супер микроскоп востребован и в наномедицине. С его помощью можно проверить насколько надежно молекула препарата прикреплена к наночастице, действующей в качестве транспорта лекарств.
А еще, с его помощью можно рассматривать кристаллические структуры частиц метеоритной пыли. Хотя, все это пока просто хороший задел на будущее.
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!
Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию. Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина . Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
