Stepan Lisovsky, doktorand na MIPT, zamestnanec Katedry nanometrologie a nanomateriálov, hovorí o základných princípoch nanometrologie a funkciách rôznych mikroskopov a vysvetľuje, prečo veľkosť častíc závisí od spôsobu merania.
Referenčné myslenie
Na začiatok - o jednoduchej metrológii. Ako disciplína mohla vzniknúť v staroveku, potom mnohí tvrdili o opatrení - od Pythagoras po Aristoteles - ale nevznikli. Metrologia sa nedokázala stať súčasťou vedeckého obrazu tej doby z toho istého Aristoteles. Na mnoho ďalších storočí stanovil prioritu kvalitatívneho opisu javov pred kvantitatívnym. Všetko sa zmenilo iba v Newtonovom čase. Význam javov „podľa Aristotela“prestal uspokojovať vedcov a dôraz sa presunul - od sémantickej časti popisu k syntaktickej. Jednoducho povedané, bolo rozhodnuté pozrieť sa na mieru a mieru vzájomného pôsobenia medzi vecami a nesnažiť sa pochopiť ich podstatu. A ukázalo sa, že je oveľa plodnejšia. Potom prišla najlepšia hodina metrológie.
Najdôležitejšou úlohou metrológie je zabezpečiť jednotnosť meraní. Hlavným cieľom je oddeliť výsledok merania od všetkých podrobností: času, miesta merania, od toho, kto meria a ako sa to dnes rozhodne urobiť. Výsledkom by malo zostať iba to, čo vždy a všade, bez ohľadu na čokoľvek, to bude patriť - jeho objektívne opatrenie, ktoré mu patrí na základe skutočnosti, ktorá je spoločná pre všetkých. Ako sa dostať k veci? Svojou interakciou s meracím zariadením. Preto musí existovať jednotná metóda merania, ako aj štandard, ktorý bude rovnaký pre všetkých.
Takže sme sa naučili merať - všetko, čo zostáva, je, aby všetci ostatní ľudia na svete merali rovnakým spôsobom ako my. Vyžaduje si to, aby všetci používali rovnakú metódu a rovnaké normy. Ľudia si rýchlo uvedomili praktické výhody zavedenia jednotného systému opatrení a dohodli sa na začatí rokovaní. Objavil sa metrický systém meraní, ktorý sa postupne rozšíril takmer do celého sveta. Mimochodom, v Rusku patrí zásluha na zavedení metrologickej podpory Dmitrijovi Mendeleevovi.
Výsledkom merania je okrem skutočnej hodnoty veličiny aj prístup vyjadrený v meracích jednotkách. Meraný meter sa tak nikdy nestane Newtonom a ohm sa nikdy nestane teslou. To znamená, že rôzne množstvá znamenajú odlišnú povahu merania, ale to samozrejme nie je vždy. Merač drôtu sa ukazuje ako meter, pokiaľ ide o jeho priestorové vlastnosti a vodivosť, ako aj o hmotnosť látky v ňom. Jedno množstvo je zapojené do rôznych javov, čo veľmi uľahčuje prácu metrológa. Dokonca aj energia a hmota sa ukázali byť do istej miery rovnocenné, a preto sa hmotnosť supermasívnych častíc meria na základe energie potrebnej na jej vytvorenie.
Propagačné video:
Okrem hodnoty množstva a jednotky jeho merania je potrebné o každom meraní poznať aj niekoľko ďalších dôležitých faktorov. Všetky sú obsiahnuté v špecifickej meracej technike zvolenej pre prípad, ktorý potrebujeme. V nej je stanovené všetko: štandardné vzorky, trieda presnosti prístrojov a dokonca aj kvalifikácia výskumníkov. Na základe metodológie vieme, ako to všetko zabezpečiť, a môžeme vykonať správne merania. Aplikácia tejto techniky nám v konečnom dôsledku dáva zaručené rozmery chyby merania a celý výsledok merania sa zníži na dve čísla: hodnota a jej chyba, s ktorou vedci zvyčajne pracujú.
Zmerajte neviditeľné
Nanometrológia funguje takmer podľa rovnakých zákonov. Existuje však niekoľko odtieňov, ktoré nemožno ignorovať. Aby ste im porozumeli, musíte porozumieť procesom nanosveta a pochopiť, čo je vlastne ich vlastnosťou. Inými slovami, čo je nanotechnológie také zvláštne.
Musíme, samozrejme, začať s rozmermi: jeden nanometer na meter je približne rovnaký ako jeden Číňan v čínskej populácii. Táto stupnica (menej ako 100 nm) umožňuje celý rad nových efektov. Tu sú účinky kvantovej fyziky vrátane tunelovania a interakcie s molekulárnymi systémami a biologickej aktivity a kompatibility a nadmerne rozvinutého povrchu, ktorého objem (presnejšie blízka povrchová vrstva) porovnateľné s celkovým objemom samotného nanoobjektu. Tieto vlastnosti sú pokladom príležitostí pre nanotechnológov a zároveň kliatbou nanometológa. Prečo?
Ide o to, že v dôsledku prítomnosti špeciálnych efektov si nanoobjekty vyžadujú úplne nové prístupy. V klasickom zmysle ich nemožno vidieť opticky z dôvodu zásadného obmedzenia uznesenia, ktoré sa dá dosiahnuť. Pretože je prísne viazaná na vlnovú dĺžku viditeľného žiarenia (môžete použiť rušenie a tak ďalej, ale toto všetko je už exotické). Tento problém má niekoľko základných riešení.
Všetko to začalo automatickým elektronickým projektorom (1936), ktorý bol neskôr upravený na autoionogénny (1951). Princíp jeho činnosti je založený na priamočiarom pohybe elektrónov a iónov pôsobením elektrostatickej sily nasmerovanej z nanočlánkovej katódy na anódové obrazovky makroskopických rozmerov, ktoré už potrebujeme. Obrázok, ktorý vidíme na obrazovke, sa vytvára na katóde alebo v jej blízkosti kvôli určitým fyzikálnym a chemickým procesom. V prvom rade ide o extrakciu elektrónov poľa z atómovej štruktúry katódy a polarizáciu atómov „zobrazovacieho“plynu blízko hrotu katódy. Po vytvorení sa obraz vo forme určitej distribúcie iónov alebo elektrónov premieta na obrazovku, kde sa prejavuje pomocou fluorescenčných síl. Týmto elegantným spôsobom sa môžete pozrieť na nanoštruktúru špičiek vyrobených z určitých kovov a polovodičov,elegancia riešenia je však spojená s príliš prísnymi obmedzeniami toho, čo vidíme, takže takéto projektory sa nestali veľmi populárne.
Ďalším riešením bol doslovný zmysel povrchu, prvýkrát realizovaný v roku 1981 ako skenovací mikroskop, ktorý získal Nobelovu cenu v roku 1986. Ako možno viete z názvu, skenovaný povrch sa skenuje sondou, ktorou je špicatá ihla.
Mikroskop skenovacej sondy
© Max Planck Institute for Solid State Research
K interakcii medzi špičkou a povrchovou štruktúrou, ktorá sa dá určiť s vysokou presnosťou dokonca aj silou pôsobiacou na sondu, a to aj vznikajúcou deformáciou sondy, dokonca zmenou frekvencie (fázy, amplitúdy) kmitania sondy. Počiatočná interakcia, ktorá určuje schopnosť skúmať takmer akýkoľvek objekt, tj univerzálnosť metódy, je založená na odpudivej sile, ktorá vzniká pri kontakte, a na dlhých van der Waalsových silách. Môžete použiť iné sily a dokonca aj vznikajúci tunelový prúd, ktorý mapuje povrch nielen z hľadiska priestorového umiestnenia na povrchu nanoobjektov, ale aj z hľadiska ich ďalších vlastností. Je dôležité, aby samotná sonda bola nanomateriál, inak sonda neskenuje povrch,a povrch je sonda (na základe Newtonovho tretieho zákona je interakcia určená oboma objektmi av istom zmysle symetricky). Celkovo sa však táto metóda ukázala ako univerzálna a mala najširšiu škálu možností, a tak sa stala jednou z hlavných metód v štúdii nanoštruktúr. Jeho hlavnou nevýhodou je to, že je mimoriadne náročné na čas, najmä v porovnaní s elektrónovými mikroskopmi.
Elektrónové mikroskopy, mimochodom, sú tiež sondovými mikroskopmi, v nich pôsobí iba zaostrený elektrónový lúč. Použitím šošovkového systému je koncepčne podobný optickému, aj keď nie bez väčších rozdielov. V prvom rade: elektrón má kvôli svojej mohutnosti kratšiu vlnovú dĺžku ako fotón. Vlnové dĺžky tu samozrejme nepatria k časticiam, elektrónu a fotónu, ale charakterizujú správanie sa vln, ktoré im zodpovedajú. Ďalší dôležitý rozdiel: interakcia telies s fotónmi a elektrónmi je celkom odlišná, aj keď nemá spoločné vlastnosti. V niektorých prípadoch sú informácie získané z interakcie s elektrónmi ešte významnejšie ako z interakcie so svetlom - opačná situácia však nie je neobvyklá.
A posledná vec, ktorej by sa mala venovať pozornosť, je rozdiel medzi optickými systémami: ak sú materiálne telá tradične šošovkami pre svetlo, potom pre elektrónové lúče sú to elektromagnetické polia, ktoré dávajú väčšiu voľnosť pri manipulácii s elektrónmi. Toto je „tajomstvo“rastrovacích elektrónových mikroskopov, na ktorých je obraz, na ktorom sa zdá, že bol získaný konvenčným svetelným mikroskopom, vyrobený iba pre pohodlie operátora, ale je získaný počítačovou analýzou charakteristík interakcie elektrónového lúča so samostatným rastrom (pixelom) na vzorky, ktoré sa následne skenujú. Interakcia elektrónov s telom umožňuje mapovať povrch z hľadiska reliéfu, chemického zloženia a dokonca luminiscenčných vlastností. Elektrónové lúče sú schopné prechádzať cez tenké vzorky,čo vám umožňuje vidieť vnútornú štruktúru takýchto objektov - až po atómové vrstvy.
Toto sú hlavné metódy na rozlíšenie a skúmanie geometrie objektov na úrovni nanomateriálov. Existujú iné, ale pracujú s celými systémami nanoobjektov a štatisticky vypočítavajú svoje parametre. Tu je rôntgenová difraktometria práškov, ktorá vám umožní zistiť nielen fázové zloženie prášku, ale aj niečo o distribúcii veľkosti kryštálov; a elipsometria, ktorá charakterizuje hrúbku tenkých vrstiev (vec, ktorá je nenahraditeľná pri tvorbe elektroniky, v ktorej sa architektúra systémov vytvára hlavne vo vrstvách); a metódy sorpcie plynov na analýzu špecifického povrchu. Jazyk sa dá rozbiť názvami niektorých metód: dynamický rozptyl svetla, elektroakustická spektroskopia, nukleometrická rezonančná relaxometria (jednoducho sa nazýva NMR relaxometria).
Ale to nie je všetko. Napríklad náboj sa môže preniesť na nanočasticu pohybujúcu sa vo vzduchu, potom sa môže zapnúť elektrostatické pole a v závislosti od toho, ako sa častica vychýli, sa dá vypočítať jej aerodynamická veľkosť (jej trecia sila proti vzduchu závisí od veľkosti častíc). Podobným spôsobom je veľkosť nanočastíc stanovená už uvedeným spôsobom dynamického rozptylu svetla, analyzuje sa iba rýchlosť v Brownovom pohybe a tiež nepriamo z výkyvov rozptylu svetla. Získa sa hydrodynamický priemer častíc. A existuje viac ako jedna taká „šikovná“metóda.
Takéto množstvo metód, ktoré zrejme merajú to isté - veľkosť, má jeden zaujímavý detail. Hodnota veľkosti jedného a toho istého nanoobjektu sa často líši, niekedy dokonca niekedy.
Aká je správna veľkosť?
Je na čase si spomenúť na bežnú metrológiu: výsledky merania sú okrem skutočnej nameranej hodnoty stanovené aj presnosťou merania a metódou, pomocou ktorej sa meranie uskutočnilo. V súlade s tým je možné rozdiel vo výsledkoch vysvetliť rôznou presnosťou a odlišnou povahou nameraných hodnôt. Diplomová práca o odlišnej povahe rôznych veľkostí toho istého nanočastice sa môže zdať divoká, ale je. Veľkosť nanočastice z hľadiska jej správania vo vodnej disperzii nie je rovnaká ako jej veľkosť z hľadiska adsorpcie plynov na svojom povrchu a nie je rovnaká ako jej veľkosť z hľadiska interakcie s elektrónovým lúčom v mikroskope. Nehovoriac o skutočnosti, že v prípade štatistických metód nie je možné hovoriť ani o určitej veľkosti, ale iba o hodnote, ktorá charakterizuje veľkosť. Ale aj napriek týmto rozdielom (alebo dokonca vďaka nim) je možné všetky tieto výsledky považovať za rovnako pravdivé, keď poviem niečo málo o rôznych veciach a pozeráme sa z rôznych uhlov. Tieto výsledky je možné porovnávať iba z hľadiska primeranosti ich spoľahlivosti v určitých situáciách: na predpovedanie správania nanočastíc v kvapaline je vhodnejšie použiť hodnotu hydrodynamického priemeru atď.
To všetko platí pre konvenčnú metrológiu a dokonca aj pre všetky fakty, často sa to však prehliada. Môžeme povedať, že neexistujú žiadne skutočnosti, ktoré sú pravdivejšie a menej pravdivé, konzistentnejšie s realitou a menej (s výnimkou pravdepodobne falšovania), ale existujú len skutočnosti, ktoré sú viac a skutočnosti menej vhodné na použitie v konkrétnej situácii a ktoré sú založené na stále viac a menej správny výklad pre tento účel. Filozofi sa to od obdobia pozitivizmu naučili dobre: každá skutočnosť je teoreticky zaťažená.