Stepans Lisovskis, MIPT doktorants, Nanometroloģijas un nanomateriālu katedras darbinieks, runā par nanometroloģijas pamatprincipiem un dažādu mikroskopu funkcijām un skaidro, kāpēc daļiņu lielums ir atkarīgs no tā, kā tas tiek mērīts.
Atsauces domāšana
Sākumā - par vienkāršu metroloģiju. Kā disciplīna tā varēja rasties senatnē, tad daudzi strīdējās par pasākumu - no Pitagora līdz Aristotelim -, bet neradās. Tā paša Aristoteļa dēļ metroloģijai neizdevās kļūt par tā laika pasaules zinātniskā attēla daļu. Daudzus nākamos gadsimtus viņš noteica parādību kvalitatīva apraksta prioritāti, nevis kvantitatīvu. Viss mainījās tikai Ņūtona laikā. Parādību nozīme "saskaņā ar Aristoteli" vairs neapmierināja zinātniekus, un uzsvars tika pārvietots - no apraksta semantiskās daļas uz sintaktisko. Vienkārši sakot, tika nolemts aplūkot lietu mijiedarbības pakāpi un pakāpi, nevis mēģināt izprast to būtību. Un tas izrādījās daudz auglīgāks. Tad pienāca smalkākā metroloģijas stunda.
Vissvarīgākais metroloģijas uzdevums ir nodrošināt mērījumu vienveidību. Galvenais mērķis ir atdalīt mērījumu rezultātu no visām detaļām: laika, mērīšanas vietas, tā, kurš mēra un kā viņš nolemj to darīt šodien. Rezultātā paliek tikai tas, kas vienmēr un visur, neatkarīgi no kaut kā, piederēs - objektīvais mērs, kas tam pieder, ņemot vērā visiem kopīgo realitāti. Kā nokļūt līdz lietai? Caur tā mijiedarbību ar mērīšanas ierīci. Šim nolūkam ir jābūt vienotai mērīšanas metodei, kā arī standartam, kas ir vienāds visiem.
Tātad, mēs esam iemācījušies izmērīt - viss, kas paliek, ir visiem pārējiem pasaules cilvēkiem izmērīt tāpat kā mēs. Tas prasa, lai viņi visi izmantotu to pašu metodi un vienādus standartus. Cilvēki ātri saprata praktiskās priekšrocības, ko rada vienotas pasākumu sistēmas ieviešana, un vienojās sākt sarunas. Parādījās metriskā mērījumu sistēma, kas pakāpeniski izplatījās gandrīz visā pasaulē. Starp citu, Krievijā metroloģiskā atbalsta ieviešanas nopelns pieder Dmitrijam Mendeļejevam.
Mērījumu rezultāts papildus faktiskajai daudzuma vērtībai ir arī pieeja, kas izteikta mērvienībās. Tādējādi izmērīts skaitītājs nekad nekļūs par ņūtonu, un oms nekad nekļūs par teslu. Tas ir, dažādi lielumi nozīmē atšķirīgu mērījumu raksturu, bet, protams, tas ne vienmēr notiek. Stieples metrs izrādās metrs gan attiecībā uz tā telpiskajām īpašībām, gan vadītspēju, gan tajā esošās vielas masu. Viens daudzums ir iesaistīts dažādās parādībās, un tas ievērojami atvieglo metrologa darbu. Pat enerģija un masa zināmā mērā izrādījās līdzvērtīgas, tāpēc supermasīvo daļiņu masu mēra pēc enerģijas, kas nepieciešama tās izveidošanai.
Reklāmas video:
Papildus daudzuma vērtībai un tā mērvienībai ir vēl vairāki svarīgi faktori, kas jums jāzina par katru mērījumu. Visi tie ir ietverti noteiktā mērīšanas metodē, kas izvēlēta gadījumam, kas mums vajadzīgs. Tajā viss ir noteikts: standarta paraugi, instrumentu precizitātes klase un pat pētnieku kvalifikācija. Zinot, kā to visu nodrošināt, pamatojoties uz metodoloģiju, mēs varam veikt pareizus mērījumus. Galu galā tehnikas piemērošana dod mums garantētus mērījumu kļūdas izmērus, un viss mērījumu rezultāts tiek samazināts līdz diviem skaitļiem: vērtībai un tās kļūdai, ar kuru zinātnieki parasti strādā.
Izmēriet neredzamo
Nanometroloģija darbojas gandrīz ar tiem pašiem likumiem. Bet ir pāris nianses, kuras nevar ignorēt. Lai tos saprastu, jums ir jāsaprot nanopasaules procesi un jāsaprot, kas patiesībā ir to iezīme. Citiem vārdiem sakot, kas ir tik īpašs nanotehnoloģijās.
Protams, mums jāsāk ar izmēriem: viens nanometrs uz metru ir aptuveni tāds pats kā vienam ķīnietim Ķīnas iedzīvotāju skaitā. Šis mērogs (mazāks par 100 nm) ļauj iegūt virkni jaunu efektu. Šeit kvantu fizikas, ieskaitot tunelēšanu, un mijiedarbības ar molekulārajām sistēmām, kā arī bioloģiskās aktivitātes un savietojamības, kā arī pārāk attīstīta virsma, kuras tilpums (precīzāk sakot, gandrīz virsmas slānis) ir salīdzināms ar paša nanoobjekta kopējo tilpumu. Šīs īpašības ir nanotehnologa iespēju bagātības krājums un vienlaikus nanometrologa lāsts. Kāpēc?
Lieta ir tāda, ka īpašo efektu klātbūtnes dēļ nanoobjektiem ir vajadzīgas pilnīgi jaunas pieejas. Tos nevar optiski aplūkot klasiskajā izpratnē, jo ir pieļaujamo izšķirtspējas būtisko ierobežojumu dēļ. Tā kā tas ir stingri saistīts ar redzamā starojuma viļņa garumu (jūs varat izmantot traucējumus un tā tālāk, bet tas viss jau ir eksotisks). Šai problēmai ir vairāki pamata risinājumi.
Viss sākās ar autoelektronisko projektoru (1936), kas vēlāk tika pārveidots par autojonu (1951). Tās darbības princips ir balstīts uz taisnu lineāru elektronu un jonu kustību elektrostatiska spēka iedarbībā, kas tiek virzīts no nanoskalu katoda uz anodieiru ar makroskopiskajiem izmēriem, kas mums jau nepieciešami. Attēls, ko novērojam uz ekrāna, veidojas pie katoda vai tā tuvumā noteiktu fizikālu un ķīmisku procesu dēļ. Pirmkārt, tā ir lauka elektronu ekstrahēšana no katoda atomu struktūras un "attēlveidošanas" gāzes atomu polarizācija netālu no katoda gala. Pēc tam, kad tas ir izveidojies, attēls jonu vai elektronu noteikta sadalījuma veidā tiek projicēts uz ekrāna, kur tas izpaužas ar fluorescences spēkiem. Šādā elegantajā veidā jūs varat aplūkot uzgaļu, kas izgatavoti no noteiktiem metāliem un pusvadītājiem, nanostruktūru,taču risinājuma elegance šeit ir saistīta ar pārāk stingriem ierobežojumiem attiecībā uz to, ko mēs varam redzēt, tāpēc šie projektori nav kļuvuši ļoti populāri.
Cits risinājums bija virsmas burtiskā izpratne, kas pirmo reizi tika realizēta 1981. gadā skenējošās zondes mikroskopa veidā, kurai 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija. Kā jūs varētu uzminēt no nosaukuma, pētāmā virsma tiek skenēta ar zondi, kas ir smaila adata.
Skenējošās zondes mikroskops
© Maks Planka Cietvielu stāvokļa pētījumu institūts
Starp galu un virsmas struktūru rodas mijiedarbība, ko ar lielu precizitāti var noteikt pat ar zondes iedarbību ietekmējošo spēku, pat ar zondes radīto novirzi, pat ar zondes svārstību frekvences (fāzes, amplitūdas) izmaiņām. Sākotnējā mijiedarbība, kas nosaka spēju izpētīt gandrīz jebkuru objektu, tas ir, metodes universālumu, ir balstīta uz atbaidošu spēku, kas rodas no kontakta, un uz liela attāluma van der Velsa spēkiem. Ir iespējams izmantot citus spēkus un pat topošo tuneļa strāvu, kartējot virsmu ne tikai attiecībā uz telpisko atrašanās vietu uz nanoobjektu virsmas, bet arī uz citām to īpašībām. Ir svarīgi, lai pati zonde būtu nanomēroga, pretējā gadījumā zonde neskenēs virsmu,un virsma ir zonde (saskaņā ar Ņūtona trešo likumu mijiedarbību nosaka abi objekti un savā ziņā simetriski). Bet kopumā šī metode izrādījās gan universāla, gan ar visplašāko iespēju klāstu, tāpēc tā kļuva par vienu no galvenajām nanostruktūru izpētes jomā. Tās galvenais trūkums ir tas, ka tas ir ārkārtīgi laikietilpīgs, īpaši salīdzinot ar elektronu mikroskopiem.
Elektronu mikroskopi, starp citu, ir arī zondes mikroskopi, tajos kā zonde darbojas tikai fokusēts elektronu stars. Lēcu sistēmas izmantošana padara to konceptuāli līdzīgu optiskajai, lai arī ne bez būtiskām atšķirībām. Pirmkārt un galvenokārt: elektronam ir īsāks viļņa garums nekā fotonam, pateicoties tā masīvībai. Protams, šeit viļņu garumi nepieder daļiņām, elektronam un fotonam, bet raksturo tiem atbilstošo viļņu izturēšanos. Vēl viena būtiska atšķirība: ķermeņu mijiedarbība ar fotoniem un elektroniem ir diezgan atšķirīga, kaut arī tai nav kopīgu iezīmju. Dažos gadījumos informācija, kas iegūta mijiedarbībā ar elektroniem, ir pat jēgpilnāka nekā mijiedarbība ar gaismu - tomēr pretēja situācija nav nekas neparasts.
Un pēdējā lieta, kurai jāpievērš uzmanība, ir optisko sistēmu atšķirība: ja materiāla ķermeņi tradicionāli ir gaismas lēcas, tad elektronu stariem tie ir elektromagnētiskie lauki, kas dod lielāku brīvību manipulēt ar elektroniem. Tas ir skenējošo elektronu mikroskopu "noslēpums", attēls, uz kura, kaut arī izskatās, ka tas tika iegūts parastā gaismas mikroskopā, ir izgatavots tikai operatora ērtībai, bet tiek iegūts, elektroniski izanalizējot elektronu staru un mijiedarbības raksturojumu ar atsevišķu rastru (pikseļu). paraugi, kas vēlāk tiek skenēti. Elektronu mijiedarbība ar ķermeni ļauj kartēt virsmu reljefa, ķīmiskā sastāva un pat luminiscences īpašību ziņā. Elektronu stari spēj iziet cauri plāniem paraugiem,kas ļauj redzēt šādu objektu iekšējo struktūru - līdz atomu slāņiem.
Šīs ir galvenās metodes, kā atšķirt un izpētīt objektu ģeometriju nanoskalādu līmenī. Ir arī citi, bet viņi strādā ar veselām nanoobjektu sistēmām, statistiski aprēķinot to parametrus. Šeit ir pulveru rentgenstaru difraktometrija, kas ļauj uzzināt ne tikai pulvera fāzes sastāvu, bet arī kaut ko par kristālu izmēru sadalījumu; un elipsometrija, kas raksturo plānu plēvju biezumu (lieta, kas ir neaizvietojama elektronikas izveidē, kurā sistēmu arhitektūra tiek veidota galvenokārt slāņos); un gāzu sorbcijas metodes īpatnējā virsmas laukuma analīzei. Valodu var sadalīt ar dažu metožu nosaukumiem: dinamiska gaismas izkliede, elektroakustiskā spektroskopija, kodolmagnētiskās rezonanses relaksometrija (tomēr to vienkārši sauc par NMR relaksometriju).
Bet tas vēl nav viss. Piemēram, lādiņu var pārnest uz nanodaļiņām, kas pārvietojas gaisā, pēc tam var ieslēgt elektrostatisko lauku un atkarībā no daļiņas novirzes var aprēķināt tās aerodinamisko lielumu (tā berzes spēks pret gaisu ir atkarīgs no daļiņas lieluma). Starp citu, līdzīgā veidā nanodaļiņu lielums tiek noteikts jau pieminētajā dinamiskās gaismas izkliedes metodē, tiek analizēts tikai Braiena kustības ātrums un arī netieši no gaismas izkliedes svārstībām. Tiek iegūts hidrodinamisko daļiņu diametrs. Un ir vairāk nekā viena šāda "gudra" metode.
Šādai metožu pārpilnībai, kas, šķiet, mēra to pašu - izmēru, ir viena interesanta detaļa. Viena un tā paša nano objekta lieluma vērtība bieži atšķiras, dažreiz pat reizēm.
Kāds izmērs ir pareizs?
Šeit ir laiks atsaukties uz parasto metroloģiju: mērījumu rezultātus papildus faktiskajai izmērītajai vērtībai nosaka arī mērījumu precizitāte un metode, ar kuru tika veikts mērījums. Attiecīgi rezultātu atšķirības var izskaidrot gan ar atšķirīgu precizitāti, gan ar izmērīto vērtību atšķirīgo raksturu. Tēze par vienas un tās pašas nanodaļiņu dažādu izmēru atšķirīgo raksturu var šķist mežonīga, taču tā ir. Nanodaļiņu lielums, ņemot vērā tās izturēšanos ūdens dispersijā, nav vienāds ar tās lielumu gāzu adsorbcijas ziņā uz tās virsmas un nav vienāds ar tās lielumu attiecībā uz mijiedarbību ar elektronu staru mikroskopā. Nemaz nerunājot par to, ka statistiskām metodēm nevar runāt par noteiktu lielumu, bet tikai par vērtību, kas raksturo lielumu. Bet, neskatoties uz šīm atšķirībām (vai pat pateicoties tām), visus šos rezultātus var uzskatīt par vienlīdz patiesiem, vienkārši sakot mazliet par dažādām lietām, skatoties no dažādiem rakursiem. Tomēr šos rezultātus var salīdzināt tikai no paļaušanās uz tiem pietiekamības dažās situācijās: lai prognozētu nanodaļiņu uzvedību šķidrumā, pareizāk ir izmantot hidrodinamiskā diametra vērtību utt.
Viss iepriekš minētais attiecas uz parasto metroloģiju un pat uz jebkuru faktu pierakstu, taču tas bieži tiek ignorēts. Mēs varam teikt, ka nav tādu faktu, kas būtu patiesāki un mazāk patiesi, kas vairāk atbilstu realitātei un būtu mazāk (izņemot varbūt viltojumus), bet ir tikai fakti, kas ir vairāk un mazāk piemēroti izmantošanai dotajā situācijā, kā arī balstīti vairāk un mazāk pareiza interpretācija. Filozofi to ir labi iemācījušies kopš pozitīvisma laikiem: jebkurš fakts ir teorētiski noslogots.