Stepan Lisovsky, doktorgradsstudent ved MIPT, ansatt ved Institutt for nanometrologi og nanomaterialer, snakker om de grunnleggende prinsippene for nanometrologi og funksjonene til forskjellige mikroskop og forklarer hvorfor partikkelstørrelsen avhenger av måten den blir målt på.
Referansetenkning
For en start - om enkel metrologi. Som en disiplin kunne det ha oppstått i antikken, da kranglet mange om tiltaket - fra Pythagoras til Aristoteles - men oppsto ikke. Metrologi klarte ikke å bli en del av det vitenskapelige bildet av datidens verden på grunn av den samme Aristoteles. I mange århundrer fremover etablerte han prioriteten til en kvalitativ beskrivelse av fenomener fremfor en kvantitativ. Alt forandret seg bare i Newtons tid. Betydningen av fenomener "ifølge Aristoteles" sluttet å tilfredsstille forskere, og vektleggingen forskjøvet - fra den semantiske delen av beskrivelsen til den syntaktiske. Enkelt sagt ble det besluttet å se på mål og grad av samhandling mellom ting, og ikke prøve å forstå deres essens. Og det viste seg å være mye mer fruktbart. Så kom den fineste timen med metrologi.
Metrologiens viktigste oppgave er å sikre enhetligheten av målingene. Hovedmålet er å koble fra måleresultatet fra alle opplysninger: tid, målested, fra hvem som måler og hvordan han bestemmer seg for å gjøre det i dag. Som et resultat skal det bare forbli det som alltid og overalt, uavhengig av noe, ting vil høre til - dets objektive mål, som tilhører det i kraft av den virkeligheten som er felles for alle. Hvordan komme til saken? Gjennom sin interaksjon med måleapparatet. For dette må det være en enhetlig målemetode, så vel som en standard, den samme for alle.
Så, vi har lært å måle - alt som gjenstår er at alle andre mennesker i verden måler på samme måte som vi gjør. Dette krever at de alle bruker samme metode og bruker de samme standardene. Folk innså raskt de praktiske fordelene ved å innføre et enkelt tiltakssystem og ble enige om å begynne å forhandle. Det metriske målesystemet dukket opp, som gradvis spredte seg til nesten hele verden. I Russland hører forresten verdien av å innføre metrologisk støtte Dmitrij Mendeleev.
Måleresultatet, i tillegg til den faktiske verdien av mengden, er også en tilnærming uttrykt i måleenheter. Dermed vil en målt meter aldri bli en Newton, og en ohm vil aldri bli en tesla. Det vil si at forskjellige mengder innebærer en annen karakter av målingen, men dette er selvfølgelig ikke alltid tilfelle. En meter ledning viser seg å være en meter både når det gjelder dens romlige egenskaper, og når det gjelder konduktivitet, og når det gjelder massen til stoffet i det. Én mengde er involvert i forskjellige fenomener, og dette letter arbeidet med en metrolog i stor grad. Selv energi og masse viste seg å være ekvivalent i en viss grad, derfor måles massen av supermassive partikler i forhold til energien som kreves for å skape den.
Salgsfremmende video:
I tillegg til verdien av mengden og måleenheten, er det flere viktige faktorer som du trenger å vite om hver måling. Alle av dem er inneholdt i en spesifikk måleteknikk valgt for saken vi trenger. Alt er satt i det: standardprøver, og nøyaktighetsklassen av instrumenter, og til og med forskernes kvalifikasjoner. Når vi vet hvordan vi kan tilby alt dette, basert på metodikken, kan vi utføre riktige målinger. Til syvende og sist gir applikasjonen av teknikken garanterte dimensjoner av målefeilen, og hele måleresultatet er redusert til to tall: verdien og dens feil, som forskere vanligvis jobber med.
Mål det usynlige
Nanometrologi fungerer etter nesten de samme lovene. Men det er et par nyanser som ikke kan ignoreres. For å forstå dem, må du forstå prosessene i nanoworld og forstå hva som faktisk er deres funksjon. Det som er så spesielt med nanoteknologi, er med andre ord.
Vi må selvfølgelig starte med dimensjoner: en nanometer per meter er omtrent den samme som en kineser i befolkningen i Kina. Denne skalaen (mindre enn 100 nm) tillater en hel serie nye effekter. Her er virkningene av kvantefysikk, inkludert tunneling, og interaksjon med molekylære systemer, og biologisk aktivitet og kompatibilitet, og en overutviklet overflate, hvis volum (nærmere bestemt det nærmeste overflatelaget) kan sammenlignes med det totale volumet til selve nanoobjektet. Disse egenskapene er en skattekule av muligheter for nanoteknologen og samtidig forbannelsen til nanometrologen. Hvorfor?
Poenget er at på grunn av tilstedeværelsen av spesialeffekter, krever nanoobjekter helt nye tilnærminger. De kan ikke sees optisk i klassisk forstand på grunn av den grunnleggende begrensningen i oppløsningen som kan oppnås. Fordi det er strengt knyttet til bølgelengden til synlig stråling (du kan bruke forstyrrelser og så videre, men alt dette er allerede eksotisk). Det er flere grunnleggende løsninger på dette problemet.
Det hele startet med en auto-elektronisk projektor (1936), som senere ble modifisert til en auto-ionisk (1951). Prinsippet for dens drift er basert på den rettlinjede bevegelsen av elektroner og ioner under virkningen av en elektrostatisk kraft rettet fra nanoskala-katoden til anodeskjermen med de makroskopiske dimensjonene vi allerede trenger. Bildet som vi ser på skjermen er dannet ved eller i nærheten av katoden på grunn av visse fysiske og kjemiske prosesser. Først av alt er dette utvinning av feltelektroner fra atomstrukturen i katoden og polarisering av atomer i den "avbildende" gassen nær katodespissen. Etter å ha blitt dannet, blir bildet i form av en viss fordeling av ioner eller elektroner projisert på skjermen, der det manifesteres av fluorescens-kreftene. På denne elegante måten kan du se på nanostrukturen til tipsene laget av visse metaller og halvledere,men elegansen i løsningen her er knyttet til for stramme begrensninger for hva vi kan se, så disse projektorene har ikke blitt veldig populære.
En annen løsning var den bokstavelige følelsen av overflaten, som først ble realisert i 1981 som et skanningssonemikroskop, som ble tildelt Nobelprisen i 1986. Som du kanskje gjetter på navnet, skannes overflaten som skal undersøkes med en sonde, som er en spiss nål.
Scanning Probe Microscope
© Max Planck Institute for Solid State Research
En interaksjon oppstår mellom spissen og overflatestrukturen, som kan bestemmes med høy nøyaktighet selv av kraften som virker på sonden, selv ved den oppståtte avbøyningen av sonden, selv av endringen i frekvensen (fase, amplitude) av sondens svingninger. Den innledende interaksjonen, som bestemmer evnen til å utforske nesten ethvert objekt, det vil si universaliteten av metoden, er basert på den frastøtende kraft som oppstår fra kontakt og på lang rekkevidde van der Waals-krefter. Det er mulig å bruke andre krefter, og til og med den nye tunnelstrømmen, som kartlegger overflaten ikke bare når det gjelder den romlige plasseringen på overflaten til nanoobjekter, men også deres andre egenskaper. Det er viktig at selve sonden er nanoskala, ellers vil ikke sonden skanne overflaten,og overflaten er en sonde (i kraft av Newtons tredje lov bestemmes samspillet av både objekter og på en måte symmetrisk). Men i det store og hele viste denne metoden seg å være både universell og inneha det bredeste spekter av muligheter, så den ble en av de viktigste i studiet av nanostrukturer. Dens viktigste ulempe er at det er ekstremt tidkrevende, spesielt sammenlignet med elektronmikroskop.
Elektronmikroskop er forresten også sonde-mikroskop, bare en fokusert elektronstråle fungerer som en sonde i dem. Bruken av et linsesystem gjør det konseptuelt lik optisk, selv om det ikke er uten store forskjeller. Først og fremst: et elektron har en kortere bølgelengde enn et foton, på grunn av dets massivitet. Selvfølgelig hører ikke bølgelengdene her til partiklene, elektronet og fotonet, men kjennetegner oppførselen til bølgene som tilsvarer dem. En annen viktig forskjell: samspillet mellom legemer med fotoner og med elektroner er ganske forskjellig, men ikke blottet for fellestrekk. I noen tilfeller er informasjonen som er hentet fra interaksjon med elektroner enda mer meningsfull enn fra interaksjon med lys - den motsatte situasjonen er imidlertid ikke uvanlig.
Og det siste som bør tas hensyn til er forskjellen mellom optiske systemer: hvis materiallegemer tradisjonelt er linser for lys, så er dette for elektronstråler elektromagnetiske felt, noe som gir større frihet til å manipulere elektroner. Dette er "hemmeligheten" for skanning av elektronmikroskop, bildet, selv om det ser ut som det ble oppnådd i et konvensjonelt lysmikroskop, er laget slik bare for brukerens bekvemmelighet, men er oppnådd fra en datamaskinanalyse av egenskapene til interaksjonen mellom en elektronstråle og en separat raster (piksel) på prøver som deretter skannes. Samspillet mellom elektroner og en kropp gjør det mulig å kartlegge en overflate når det gjelder relieff, kjemisk sammensetning og til og med luminescensegenskaper. Elektronstråler kan passere gjennom tynne prøver,som lar deg se den interne strukturen til slike objekter - ned til atomlag.
Dette er de viktigste metodene for å skille og undersøke geometrien til objekter på nanoskala nivå. Det er andre, men de jobber med hele systemer av nanoobjekter, og beregner deres parametere statistisk. Her er røntgendiffraktometri av pulver, som lar deg finne ut ikke bare fasesammensetningen til pulveret, men også noe med størrelsesfordelingen av krystaller; og ellipsometri, som kjennetegner tykkelsen på tynne filmer (en ting som er uerstattelig i etableringen av elektronikk, der arkitekturen til systemer hovedsakelig er laget i lag); og gasssorpsjonsmetoder for analyse av spesifikt overflateareal. Språket kan brytes med navnene på noen metoder: dynamisk lysspredning, elektroakustisk spektroskopi, kjernemagnetisk resonansrelaksometri (det kalles imidlertid ganske enkelt NMR relaxometry).
Men det er ikke alt. For eksempel kan en ladning overføres til en nanopartikkel som beveger seg i luft, deretter kan det elektrostatiske feltet slås på, og avhengig av hvordan partikkelen avbøter, kan dens aerodynamiske størrelse beregnes (dens friksjonskraft mot luft avhenger av partikkelstørrelsen). Forresten, på en lignende måte, bestemmes størrelsen på nanopartikler i den allerede nevnte metoden for dynamisk lysspredning, bare hastigheten i Brownsk bevegelse blir analysert, og også indirekte, fra svingninger i lysspredning. Den hydrodynamiske partikkeldiameter oppnås. Og det er mer enn en så "smarte" metode.
En slik overflod av metoder som ser ut til å måle samme ting - størrelse, har en interessant detalj. Verdien på størrelsen på en og samme nano-gjenstand skiller seg ofte, noen ganger til tider.
Hvilken størrelse er riktig?
Det er på tide å huske vanlig metrologi: måleresultatene, i tillegg til den faktiske målte verdien, er også angitt av målenøyaktigheten og metoden som målingen ble utført på. Følgelig kan forskjellen i resultatene forklares med både forskjellig nøyaktighet og den forskjellige karakter av de målte verdiene. Oppgaven om forskjellig natur i forskjellige størrelser på samme nanopartikkel kan virke vill, men det er den. Størrelsen på en nanopartikkel med tanke på dens oppførsel i en vandig dispersjon er ikke den samme som størrelsen når det gjelder adsorpsjon av gasser på overflaten og er ikke den samme som størrelsen når det gjelder interaksjon med en elektronstråle i et mikroskop. For ikke å snakke om det faktum at det for statistiske metoder heller ikke er mulig å snakke om en viss størrelse, men bare om en verdi som kjennetegner størrelsen. Men til tross for disse forskjellene (eller til og med takket være dem), kan alle disse resultatene anses som like sanne, bare å si litt om forskjellige ting, sett fra forskjellige vinkler. Imidlertid kan disse resultatene bare sammenlignes med tanke på tilstrekkeligheten til å stole på dem i visse situasjoner: for å forutsi atferden til en nanopartikkel i en væske, er det mer tilstrekkelig å bruke verdien av den hydrodynamiske diameteren, og så videre.
Alt dette ovenfor gjelder for konvensjonell metrologi, og til og med for alle faktaopplysninger, men dette blir ofte oversett. Vi kan si at det ikke er fakta som er mer sanne og mindre sanne, mer konsistente med virkeligheten og mindre (bortsett fra kanskje forfalskning), men det er bare fakta som er mer og mindre dekkende for bruk i en gitt situasjon, samt basert på mer og mindre riktig tolkning for dette. Filosofer har lært dette godt siden positivismens tid: ethvert faktum er teoretisk lastet.
