Stepan Lisovsky, a MIPT doktorandusa, a Nanometrológiai és Nanomaterápiák Tanszék alkalmazottja beszélt a nanometrológia alapelveiről és a különféle mikroszkópok működéséről, és elmagyarázza, hogy a részecskeméret miért függ a mérési módszertől.
Referencia gondolkodás
Először - az egyszerű metrológiáról. Fegyelemként az ókorban keletkezhetett, akkor sokan vitatták az intézkedést - Pythagoras-tól Arisztotelészig -, de nem merültek fel. Ugyanazon Arisztotelész miatt a metrológia nem vált be az akkori világ tudományos képébe. Az elkövetkező évszázadok során a jelenségek kvalitatív leírása prioritásként kezeli a kvantitatív szempontokat. Minden csak Newton idején változott. A jelenség jelentése "Arisztotelész szerint" már nem kielégítette a tudósokat, és a hangsúly eltolódott - a leírás szemantikai részétől a szintaktikai felé. Egyszerűen fogalmazva úgy döntöttek, hogy a dolgok közötti kölcsönhatások mértékét és mértékét vizsgálják meg, és nem próbálják megérteni a lényegüket. És kiderült, hogy sokkal gyümölcsösebb. Aztán jött a metrológia legszebb órája.
A metrológia legfontosabb feladata a mérések egységességének biztosítása. A fő cél a mérési eredmény elválasztása az összes adattól: az idő, a mérés helye, az, aki mér, és hogyan dönt ma. Ennek eredményeként csak annak kell maradnia, amely mindig és mindenütt, bármitől függetlenül, a dolgokhoz tartozik - objektív mércéjéhez, amely hozzá tartozik a mindenki számára közös valóság alapján. Hogyan juthatunk el a dologhoz? A mérőkészülékkel való kölcsönhatása révén. Ehhez egységes mérési módszerre és szabványra van szükség, amely mindenki számára azonos.
Tehát megtanultuk mérni - a világ többi emberének csak annyit kell mérnie, mint mi. Ez megköveteli, hogy mindannyian ugyanazt a módszert és ugyanazokat a szabványokat használják. Az emberek gyorsan felismerték az egységes intézkedésrendszer bevezetésének gyakorlati előnyeit, és megállapodtak abban, hogy tárgyalásokat kezdenek. Megjelent a metrikus mérési rendszer, amely fokozatosan elterjedt szinte az egész világon. Egyébként Oroszországban a metrológiai támogatás bevezetésének érdeme Dmitrij Mendelejevnek tartozik.
A mérési eredmény a mennyiség tényleges értékén kívül a mérési egységekben kifejezett megközelítés is. Így a mért mérő soha nem lesz Newton, és az ohm soha nem lesz tesla. Vagyis a különböző mennyiségek a mérés eltérő természetét vonják maguk után, de természetesen nem mindig ez a helyzet. Egy huzalméter metrikává válik mind térbeli jellemzői, mind vezetőképessége, mind a benne lévő anyag tömege szempontjából. Egy mennyiség részt vesz különböző jelenségekben, és ez nagyban megkönnyíti a metrológus munkáját. Még az energia és a tömeg is bizonyos mértékben egyenértékűnek bizonyult, ezért a szupermasszív részecskék tömegét mérjük annak létrehozásához szükséges energiával.
Promóciós videó:
A mennyiség és a mértékegység értékén kívül még néhány fontos tényező létezik, amelyeket minden mérésnél tudnia kell. Mindegyik egy speciális mérési technikában található, amelyre a szükséges esetet választottuk. Minden benne van: a standard minták, a műszerek pontossági osztálya, sőt a kutatók képesítései is. Tudva, hogyan lehet mindezt biztosítani, a módszertan alapján, helyes méréseket végezhetünk. Végül a technika alkalmazása garantáltan nagyságrendű mérési hibát eredményez, és a teljes mérési eredményt két számra csökkentjük: az értékre és annak hibájára, amellyel a tudósok általában dolgoznak.
Mérje meg a láthatatlant
A nanometrológia szinte ugyanazon törvények szerint működik. Van azonban néhány árnyalatok, amelyeket nem lehet figyelmen kívül hagyni. Ahhoz, hogy megértsük őket, meg kell értenünk a nanorészecskék folyamatait, és meg kell értenünk, mi is valójában ezek jellemzője. Más szavakkal, mi olyan különleges a nanotechnológiában.
Természetesen a méretekkel kell kezdenünk: méterenként egy nanométer nagyjából megegyezik egy kínaival Kína lakosságában. Ez a skála (kevesebb mint 100 nm) új effektusok sorozatát teszi lehetővé. Itt a kvantumfizika hatásai, beleértve az alagútot, valamint a molekuláris rendszerekkel való interakciót, valamint a biológiai aktivitást és kompatibilitást, valamint egy túlfejlett felület, amelynek térfogata (pontosabban a felszíni közeli réteg) összehasonlítható magának a nanoobjektnek a teljes térfogatával. Ezek a tulajdonságok a nanotechnológus lehetőségeinek kincslemeze és ugyanakkor a nanometrológus átka. Miért?
A lényeg az, hogy a speciális effektusok jelenléte miatt a nanoobjektumok teljesen új megközelítéseket igényelnek. A klasszikus értelemben nem tekinthetők optikailag, mivel az elérhető felbontás alapvetően korlátozott. Mert szigorúan kötődik a látható sugárzás hullámhosszához (használhat interferenciát és így tovább, de mindez már egzotikus). Ennek a problémának számos alapvető megoldása van.
Az egész egy automatikus elektronikai vetítővel (1936) kezdődött, amelyet később auto-ionmá (1951) módosítottak. Működésének elve az elektronok és ionok egyenes vonalú mozgásán alapszik, olyan elektrosztatikus erő hatására, amely a nanoskálájú katódból a makroszkopikus méretek anód-képernyőjéhez irányul, amire már szükségünk van. A képernyőn megfigyelt kép a katódnál vagy annak közelében alakul ki bizonyos fizikai és kémiai folyamatok miatt. Mindenekelőtt ez a terektronok kivonása a katód atomszerkezetéből és a "képalkotó" gáz atomjainak polarizációja a katód csúcsa közelében. A kialakulás után a kép egy ionok vagy elektronok eloszlásának bizonyos formájában megjelenik a képernyőn, ahol azt a fluoreszcencia erői fejezik ki. Ilyen elegáns módon megnézheti az egyes fémekből és félvezetőkből készült tippek nanoszerkezetét,de itt a megoldás eleganciája a látás túl szűk korlátozásaihoz kapcsolódik, így az ilyen projektorok nem váltak túl népszerűvé.
Egy másik megoldás a felület szó szerinti értelme, amelyet 1981-ben először szkennelő szonda-mikroszkópként valósítottak meg, amelyet 1986-ban Nobel-díjjal tüntettek ki. Amint a névből kitalálható, a vizsgált felületet egy szonda segítségével szkenneljük, amely hegyes tű.
Pásztázó szonda mikroszkóp
© Max Planck Szilárdtest Kutató Intézet
A csúcs és a felületi szerkezet között kölcsönhatás merül fel, amelyet nagy pontossággal lehet meghatározni még a szondára ható erővel, a szonda kialakuló elhajlásával, még a szonda lengésének frekvenciájának (fázisának, amplitúdójának) megváltozásával is. A kezdeti kölcsönhatás, amely meghatározza a szinte bármilyen tárgy felfedezésének képességét, azaz a módszer egyetemességét, az érintkezésből fakadó visszatükröző erőn és a hosszú távú van der Waals erőkön alapul. Más erőket és még a kialakuló alagútáramot is felhasználhatunk a felület feltérképezésére, nemcsak a nanoobjektumok felületének térbeli elhelyezkedése, hanem más tulajdonságai szempontjából is. Fontos, hogy maga a szonda nanoméretű legyen, különben a szonda nem fogja letapogatni a felületet,és a felület egy szonda (Newton harmadik törvénye alapján az interakciót mindkét objektum meghatározza, és bizonyos értelemben szimmetrikusan). De általánosságban ez a módszer kiderült, hogy egyetemes és a lehető legszélesebb körű lehetőségeket kínálja, így a nanostruktúrák tanulmányozásának egyik fő elemévé vált. Fő hátránya, hogy rendkívül időigényes, különösen az elektronmikroszkópokkal összehasonlítva.
Az elektronmikroszkópok, egyébként, szintén szondamikroszkópok, csak fókuszált elektronnyaláb működik szondaként bennük. A lencserendszer használata fogalmilag hasonlóvá teszi az optikai optikához, bár nem jelent nagyobb különbségeket. Első és legfontosabb: az elektronok masszivitása miatt rövidebb hullámhosszúak, mint a fotonok. Természetesen a hullámhosszok itt nem tartoznak a részecskékhez, az elektronhoz és a fotonhoz, hanem jellemzik a hozzájuk tartozó hullámok viselkedését. Egy másik fontos különbség: a testek fotonokkal és elektronokkal való kölcsönhatása meglehetősen eltérő, bár nincs közös vonása. Bizonyos esetekben az elektronokkal való kölcsönhatásból nyert információ még jelentősebb, mint a fényrel való kölcsönhatásból származó információ - azonban az ellenkező helyzet nem ritka.
És az utolsó dolog, amelyre figyelemmel kell lenni, az optikai rendszerek közötti különbség: ha az anyagtestek hagyományosan fénylencsék, akkor az elektronnyalábok esetében ezek elektromágneses terek, ami nagyobb szabadságot ad az elektronok manipulálására. Ez a pásztázó elektronmikroszkópok "titka", amelyen a képet, bár úgy néz ki, mint egy hagyományos fénymikroszkóppal nyerték, csak a kezelő kényelme érdekében készítik, hanem egy elektronnyaláb és egy különálló raszter (pixel) közötti kölcsönhatás karakterisztikájának számítógépes elemzéséből nyerik. minták, amelyeket később szkennelnek. Az elektronok és a test kölcsönhatása lehetővé teszi a felület térképezését a megkönnyebbülés, a kémiai összetétel és még a lumineszcencia tulajdonságok szempontjából. Az elektronnyaláb képes vékony mintákon áthaladni,amely lehetővé teszi az ilyen objektumok belső szerkezetének látását - akár atomrétegekig.
Ezek a fő módszerek a tárgyak geometriájának megkülönböztetésére és vizsgálatára nanoskálán. Vannak mások is, de a teljes nanoobjektum-rendszerrel működnek, paramétereiket statisztikailag kiszámítva. Itt van a porok röntgen diffraktometria, amely lehetővé teszi nemcsak a por fázisösszetételének megismerését, hanem a kristályok méreteloszlását is; és az ellipszometria, amely jellemzi a vékony fóliák vastagságát (egy olyan elem, amely pótolhatatlan az elektronika létrehozásában, amelyben a rendszerek architektúráját főként rétegek formájában hozzák létre); és gázszorpciós módszerek az adott felület elemzésére. A nyelvet meg lehet szakítani néhány módszer nevével: dinamikus fényszórás, elektroakusztikus spektroszkópia, nukleáris mágneses rezonancia relaxometria (ezt egyszerűen NMR relaxometriának nevezik).
De ez még nem minden. Például egy töltés átvihető a levegőben mozgó nanorészecskékre, majd az elektrosztatikus mezőt be lehet kapcsolni, és a részecske elhajlásának függvényében kiszámítható az aerodinamikai mérete (a levegővel szembeni súrlódási erő függ a részecske méretétől). Mellesleg, hasonlóképpen, a nanorészecskék méretét a már említett dinamikus fényszórás módszerrel határozzuk meg, csak a Brown-féle mozgás sebességét, sőt közvetetten a fényszórás ingadozásait elemezzük. Megkapjuk a hidrodinamikai részecskeátmérőt. És egynél több ilyen "okos" módszer is létezik.
Az ilyen rengeteg módszer, amelyek látszólag ugyanazt a méretet - méretet - mérik, egy érdekes részlettel bír. Ugyanazon nano-objektum méretének értéke gyakran különbözik, néha akár időnként is.
Milyen méretű a megfelelő?
Ideje felidézni a szokásos metrológiát: a mérési eredményeket a ténylegesen mért értéken kívül a mérési pontosság és a módszer is meghatározza. Ennek megfelelően az eredmények különbsége mind a pontossággal, mind a mért értékek eltérő természetével magyarázható. A tézis ugyanazon nanorészecske különböző méretű eltérő természetéről szólhat vadnak, de az az. A nanorészecskék mérete a vizes diszperzióban való viselkedése szempontjából nem egyezik meg a méretükkel, ha a felületükön adszorpciót mutatnak, és nem egyezik meg mikroszkópban az elektronnyalábkal való kölcsönhatás szempontjából. Nem is beszélve arról, hogy a statisztikai módszerek esetében egy bizonyos méretről sem lehet beszélni, hanem csak a méretet jellemző értékről. De a különbségek ellenére (vagy akár ezek miatt) mindezen eredmények egyformán igaznak tekinthetők, csak egy kicsit szólva különféle dolgokról, különböző szögekből nézve. Ezeket az eredményeket azonban csak bizonyos helyzetekben azokra támaszkodva tekinthetjük összehasonlíthatónak: hogy egy nanorészecske viselkedését megjósoljuk egy folyadékban, akkor a hidrodinamikai átmérő értékét kell használni, és így tovább.
A fentiek mindegyike igaz a hagyományos metrológiára és akár a tények bármilyen nyilvántartására, de ezt gyakran figyelmen kívül hagyják. Azt mondhatjuk, hogy nincs olyan tény, amely igazabb és kevésbé igaz, a valósággal összeegyeztethetőbb és kevesebb (kivéve talán hamisítást), de csak olyan tények vannak, amelyek egyre több és kevésbé felelnek meg egy adott helyzetben való felhasználáshoz, valamint egyre több ennek helyes értelmezése. A filozófusok ezt már a pozitivizmus ideje óta megtanulják: elméletileg minden tény betöltődik.