MIPTi doktorant Stepan Lisovsky, nanometroloogia ja nanomaterjalide osakonna töötaja, räägib nanometroloogia põhiprintsiipidest ja erinevate mikroskoopide funktsioonidest ning selgitab, miks osakeste suurus sõltub mõõtmise viisist.
Viidemõtlemine
Alustuseks - lihtsa metroloogia kohta. Distsipliinina võis see tekkida antiikajal, siis paljud vaidlesid meetme üle - Pythagorast Aristoteleseni -, kuid ei tekkinud. Metroloogia ei saanud sama Aristotelese tõttu osaks tolleaegse maailma teaduslikust pildist. Järgnevate sajandite jooksul seadis ta nähtuste kvalitatiivse kirjeldamise prioriteediks kvantitatiivse kirjelduse. Kõik muutus alles Newtoni ajal. Nähtuste tähendus "Aristotelese järgi" lakkas teadlasi rahuldamast ja rõhk nihkus - kirjelduse semantilisest osast süntaktiliseks. Lihtsamalt öeldes otsustati uurida asjade vahelise vastasmõju suurust ja astet ning mitte proovida mõista nende olemust. Ja see osutus palju viljakamaks. Siis tuli metroloogia kõige peenem tund.
Metroloogia kõige olulisem ülesanne on tagada mõõtmiste ühtlus. Peamine eesmärk on lahutada mõõtmistulemus kõigist üksikasjadest: kellaajast, mõõtmiskohast, sellest, kes mõõdab ja kuidas ta otsustab seda täna teha. Selle tulemusel peaks jääma ainult see, kuhu alati ja kõikjal, sõltumata mis tahes, asjad kuuluvad - selle objektiivne mõõde, mis kuulub sellele kõigi jaoks ühise reaalsuse tõttu. Kuidas asja juurde jõuda? Läbi selle interaktsiooni mõõteseadmega. Selleks peab olema nii ühtne mõõtmismeetod kui ka standard, kõigi jaoks sama.
Niisiis, oleme õppinud mõõtma - kõik, mis üle jääb, on kõigil teistel inimestel maailmas mõõta samamoodi nagu meil. See nõuab, et nad kõik kasutaksid sama meetodit ja samu standardeid. Inimesed mõistsid kiiresti ühtse abinõude süsteemi kasutuselevõtu praktilisi eeliseid ja nõustusid alustama läbirääkimisi. Ilmus meetriline mõõtmissüsteem, mis levis järk-järgult peaaegu kogu maailmas. Venemaal, muide, metroloogilise toe tutvustamise teene kuulub Dmitri Mendelejevile.
Mõõtmistulemus on lisaks koguse tegelikule väärtusele ka mõõtühikutes väljendatud lähenemisviis. Seega ei muutu mõõdetud arvesti kunagi njuutoniks ja ohm ei muutu kunagi teslaks. See tähendab, et erinevad kogused tähendavad mõõtmise erinevat laadi, kuid muidugi ei ole see alati nii. Traadi meeter osutub meetriks nii oma ruumiliste omaduste, juhtivuse kui ka selles sisalduva aine massi osas. Üks kogus on seotud erinevate nähtustega ja see hõlbustab oluliselt metroloogi tööd. Isegi energia ja mass osutusid teatud määral ekvivalentseteks, seetõttu mõõdetakse supermassiivsete osakeste massi selle loomiseks vajaliku energia osas.
Reklaamvideo:
Lisaks koguse väärtusele ja selle mõõtühikule on veel mitu olulist tegurit, mida peate iga mõõtmise kohta teadma. Kõik need sisalduvad konkreetses mõõtmistehnikas, mis on valitud juhtumi jaoks, mida vajame. Kõik on selles paika pandud: standardsed proovid ja mõõteriistade täpsusklass ning isegi teadlaste kvalifikatsioon. Teades, kuidas seda kõike metoodika põhjal pakkuda, saame teha korrektseid mõõtmisi. Lõppkokkuvõttes annab tehnika rakendamine meile mõõtevea garanteeritud mõõtmed ja kogu mõõtmistulemus väheneb kaheks: väärtus ja selle viga, millega teadlased tavaliselt töötavad.
Mõõda nähtamatu
Nanometroloogia töötab peaaegu samade seaduste järgi. Kuid on paar nüanssi, mida ei saa tähelepanuta jätta. Nende mõistmiseks peate mõistma nanomaailma protsesse ja mõistma, mis tegelikult on nende omadus. Teisisõnu, mis on nanotehnoloogias nii erilist.
Peame muidugi alustama mõõtmetest: üks nanomeeter meetri kohta on umbes sama, mis ühel Hiina elanikul hiinlastel. See skaala (alla 100 nm) võimaldab terve rea uusi efekte. Siin on kvantfüüsika, sealhulgas tunneldamise ja molekulaarsüsteemidega koostoimimise ning bioloogilise aktiivsuse ja ühilduvuse ning ületalitunud pinna mõju, mille ruumala (täpsemini pinna lähedal olev kiht) on võrreldav nanoobjekti enda kogumahuga. Need omadused on nanotehnoloogi võimaluste varandus ja samal ajal ka nanometroloogi needus. Miks?
Asi on selles, et eriefektide olemasolu tõttu vajavad nanoobjektid täiesti uusi lähenemisviise. Neid ei saa klassikalises mõttes optiliselt vaadelda, kuna saavutatav resolutsioon on põhimõtteliselt piiratud. Sest see on rangelt seotud nähtava kiirguse lainepikkusega (võite kasutada häireid ja nii edasi, kuid kõik see on juba eksootiline). Sellel probleemil on mitu põhilahendust.
Kõik sai alguse autoelektroonilisest projektorist (1936), mida hiljem muudeti autoioonseks (1951). Selle tööpõhimõte põhineb elektronide ja ioonide sirgjoonelisel liikumisel elektrostaatilise jõu mõjul, mis on nanoskaala katoodilt suunatud juba vajalike makroskoopiliste mõõtmete anoodiekraanile. Pilt, mida ekraanil jälgime, moodustub katoodil või selle läheduses teatud füüsikaliste ja keemiliste protsesside tõttu. Esiteks on see katoodi aatomistruktuurist välja elektrone ekstraheerimine ja katoodivihiku lähedal "pildistava" gaasi aatomite polarisatsioon. Pärast moodustumist projitseeritakse ekraan ioonide või elektronide teatud jaotuse kujul ekraanile, kus see avaldub fluorestsentsi jõudude poolt. Sel moel saate vaadata teatud metallidest ja pooljuhtidest valmistatud otste nanostruktuuri,kuid siinkohal on lahenduse elegants seotud liiga rangete piirangutega nägemisele, mistõttu pole need projektorid eriti populaarseks muutunud.
Teine lahendus oli pinna otseses tähenduses, realiseeriti esmakordselt 1981. aastal skaneeriva sondmikroskoobina, millele anti 1986. aastal Nobeli preemia. Nagu nimest võib arvata, skaneeritakse uuritav pind sondiga, milleks on terav nõel.
Skaneeriva sondi mikroskoop
© Max Plancki tahkete osakeste teadusuuringute instituut
Otsa ja pinnakonstruktsiooni vahel tekib interaktsioon, mille saab suure täpsusega kindlaks määrata isegi sondi mõjutava jõu abil, isegi sondi tekkiva läbipainde tõttu, isegi sondi võnkumiste sageduse (faasi, amplituudi) muutusega. Esialgne interaktsioon, mis määrab võime uurida peaaegu ükskõik millist objekti, see tähendab meetodi universaalsust, põhineb kontaktil tekkivatel tõrjuvatel jõudutel ja van der Waalsi pikamaa jõududest. Võimalik on kasutada muid jõude ja isegi tekkivat tunnelvoolu, kaardistades pinda mitte ainult nanoobjektide pinnal paikneva ruumilise asukoha, vaid ka nende muude omaduste osas. On oluline, et sond ise oleks nanomõõtmeline, vastasel juhul ei skaneeri sond pinda,ja pind on sond (Newtoni kolmanda seaduse kohaselt määravad interaktsiooni mõlemad objektid ja teatud mõttes sümmeetriliselt). Kuid üldiselt osutus see meetod nii universaalseks kui ka laiade võimalustega, nii et see sai nanostruktuuride uurimisel üheks peamiseks. Selle peamine puudus on see, et see on äärmiselt aeganõudev, eriti võrreldes elektronmikroskoopidega.
Elektronmikroskoobid, muide, on ka sondmikroskoobid, neis sondi moodustab ainult fokuseeritud elektronkiir. Objektiivisüsteemi kasutamine muudab selle kontseptuaalselt sarnaseks optilise süsteemiga, ehkki mitte ilma suurte erinevusteta. Kõigepealt: elektronil on oma massiivsuse tõttu lühem lainepikkus kui footonil. Muidugi ei kuulu siin olevad lainepikkused pärisosakestele, elektronile ja footonile, vaid iseloomustavad neile vastavate lainete käitumist. Teine oluline erinevus: kehade interaktsioon footonite ja elektronidega on üsna erinev, ehkki sellel pole ühiseid jooni. Mõnel juhul on elektronidega interaktsioonist saadud teave veelgi tähendusrikkam kui valgusega interaktsioonist saadud teave - vastupidine olukord pole siiski haruldane.
Ja viimane asi, millele tuleks tähelepanu pöörata, on erinevus optiliste süsteemide vahel: kui tavaliselt on materiaalsed kehad valguse läätsed, siis elektronkiirte jaoks on need elektromagnetilised väljad, mis annab suurema vabaduse elektronidega manipuleerida. See on skaneerivate elektronmikroskoopide "saladus", pilt, millel, kuigi tundub, nagu see on saadud tavalises valgusmikroskoobis, on tehtud seda ainult operaatori mugavuse huvides, kuid see saadakse arvutipõhiselt analüüsides elektronkiire ja eraldi rasteriga (piksli) interaktsiooni karakteristikuid. hiljem skaneeritud proovid. Elektronide ja keha interaktsioonid võimaldavad pinda kaardistada reljeefi, keemilise koostise ja isegi luminestsentsi omaduste alusel. Elektronkiired on võimelised läbima õhukesi proove,mis võimaldab teil näha selliste objektide sisemist struktuuri - kuni aatomikihtideni.
Need on peamised meetodid objektide geomeetria eristamiseks ja uurimiseks nanomõõtme tasandil. On ka teisi, kuid nad töötavad tervete nanoobjektide süsteemidega, arvutades nende parameetrid statistiliselt. Siin on pulbrite röntgendifraktomeetria, mis võimaldab teil teada saada mitte ainult pulbri faasikoostise, vaid ka midagi kristallide suuruse jaotuse kohta; ja ellipsomeetria, mis iseloomustab õhukeste kilede paksust (asi, mis on elektroonika loomisel asendamatu, kus süsteemide arhitektuur luuakse peamiselt kihtidena); ja gaasi sorptsioonimeetodid konkreetse pinna analüüsimiseks. Keele võib murda mõnede meetodite nimetustega: dünaamiline valguse hajumine, elektroakustiline spektroskoopia, tuumamagnetresonantsi relaksomeetria (seda nimetatakse aga lihtsalt NMR relaksomeetriaks).
Kuid see pole veel kõik. Näiteks võib laengu kanda õhus liikuvale nanoosakesele, seejärel saab sisse lülitada elektrostaatilise välja ja sõltuvalt osakese läbipaindest saab välja arvutada selle aerodünaamilise suuruse (selle hõõrdejõud õhu suhtes sõltub osakese suurusest). Muide, sarnasel viisil määratakse nanoosakeste suurus juba mainitud dünaamilise valguse hajumise meetodil, analüüsitakse ainult Browni liikumise kiirust ja kaudselt ka valguse hajumise kõikumisi. Saadakse osakeste hüdrodünaamiline läbimõõt. Ja selliseid "tarku" meetodeid on rohkem kui üks.
Sellisel meetodite rohkusel, mis näivad mõõtvat sama asja - suurust, on üks huvitav detail. Ühe ja sama nano-objekti suurus erineb sageli, mõnikord isegi kohati.
Mis suurus on õige?
Aeg on meelde tuletada tavalist metroloogiat: lisaks tegelikule mõõdetud väärtusele määravad mõõtmistulemused ka mõõtmistäpsuse ja mõõtmismeetodi. Seetõttu saab tulemuste erinevust seletada nii erineva täpsuse kui ka mõõdetud väärtuste erineva olemusega. Tees sama nanoosakese erineva suurusega erineva olemuse kohta võib tunduda metsik, kuid nii see on. Nanoosakese suurus tema käitumise osas vesidispersioonis ei ole sama kui selle suurus gaaside adsorptsioonil selle pinnale ega ole sama suur kui tema interaktsioon elektronkiirega mikroskoobis. Rääkimata sellest, et ka statistiliste meetodite puhul ei saa rääkida teatud suurusest, vaid ainult suurust iseloomustavast väärtusest. Kuid vaatamata nendele erinevustele (või isegi tänu neile) võib kõiki neid tulemusi võrdselt tõeks pidada, öeldes lihtsalt natuke erinevate asjade kohta, vaadates erinevaid nurki. Neid tulemusi saab aga võrrelda ainult nendele tuginemise piisavuse seisukohast teatud olukordades: vedeliku nanoosakese käitumise ennustamiseks on adekvaatsem kasutada hüdrodünaamilise läbimõõdu väärtust jne.
Kõik eelnev kehtib tõepoolest tavapärase metroloogia ja isegi mis tahes faktide kohta, kuid sageli jäetakse see tähelepanuta. Võib öelda, et pole ühtegi fakti, mis oleks tõesem ja vähem tõene, vastaks tegelikkusele ja oleks vähem (välja arvatud ehk võltsingud), kuid on vaid fakte, mida on rohkem ja fakte, mis on konkreetses olukorras kasutamiseks vähem sobivad, ning põhinevad rohkem ja vähem selle õige tõlgendus. Filosoofid on seda positiivsuse ajast alates hästi õppinud: kõik faktid on teoreetiliselt koormatud.
