Степан Лисовски, докторант в MIPT, служител на катедрата по нанометрология и наноматериали, говори за основните принципи на нанометрологията и функциите на различни микроскопи и обяснява защо размерът на частиците зависи от начина, по който се измерва.
Референтно мислене
За начало - за простата метрология. Като дисциплина тя може да възникне още в древността, тогава мнозина спореха за мярката - от Питагор до Аристотел - но не възникнаха. Метрологията не успя да стане част от научната картина на света от онова време заради същия Аристотел. В продължение на много векове той установява приоритета на качествено описание на явленията пред количественото. Всичко се промени само по времето на Нютон. Значението на явленията „според Аристотел“престана да задоволява учените, а акцентът се измести - от семантичната част на описанието към синтактичната. Най-просто казано, беше решено да се разгледа мярката и степента на взаимодействие между нещата, а не да се опитваме да проумеем самата им същност. И се оказа много по-ползотворен. След това дойде най-хубавият час на метрологията.
Най-важната задача на метрологията е да гарантира еднаквостта на измерванията. Основната цел е да се отдели резултата от измерването от всички данни: време, място на измерване, от кой измерва и как реши да го направи днес. В резултат на това трябва да остане само това, на което винаги и навсякъде, независимо от всичко, нещата ще принадлежат - неговата обективна мярка, която му принадлежи по силата на общата за всички реалност. Как да стигнем до нещата? Чрез взаимодействието си с измервателното устройство. За това трябва да има унифициран метод на измерване, както и стандартен, еднакъв за всички.
И така, научихме се да измерваме - остава само всички останали хора по света да измерват по същия начин, както ние. Това изисква всички те да използват един и същ метод и да използват едни и същи стандарти. Хората бързо осъзнаха практическите ползи от въвеждането на единна система от мерки и се съгласиха да започнат преговори. Появи се метричната система от измервания, която постепенно се разпространи в почти целия свят. В Русия, между другото, заслугата за въвеждане на метрологична поддръжка принадлежи на Дмитрий Менделеев.
Резултатът от измерването, в допълнение към действителната стойност на количеството, е и подход, изразен в мерни единици. По този начин един измерван метър никога няма да се превърне в Нютон, а ом никога няма да се превърне в тесла. Тоест, различните количества предполагат различен характер на измерването, но, разбира се, това не винаги е така. Метър жица се оказва метър както по отношение на пространствените му характеристики, така и по отношение на проводимостта и по отношение на масата на веществото в него. Едно количество участва в различни явления и това значително улеснява работата на метролог. Дори енергията и масата се оказват еквивалентни до известна степен, следователно масата на свръхмасивни частици се измерва по отношение на енергията, необходима за създаването му.
Промоционално видео:
В допълнение към стойността на дадено количество и неговата единица за измерване, има още няколко важни фактора, които трябва да знаете за всяко измерване. Всички те се съдържат в специфична техника за измерване, избрана за случая, от който се нуждаем. Всичко е заложено в него: стандартни проби и клас на точност на инструментите и дори квалификацията на изследователите. Знаейки как да осигурим всичко това, въз основа на методиката, можем да извършим правилни измервания. В крайна сметка прилагането на техниката ни дава гарантирани размери на грешката при измерване, а целият резултат от измерването се свежда до две числа: стойността и нейната грешка, с които обикновено работят учените.
Измервайте невидимото
Нанометрологията работи по почти същите закони. Но има няколко нюанса, които не могат да бъдат игнорирани. За да ги разберете, трябва да разберете процесите на нано света и да разберете какво всъщност е тяхната особеност. С други думи, какво е толкова специално за нанотехнологиите.
Трябва да започнем, разбира се, с размери: един нанометър на метър е приблизително същото като един китайски в населението на Китай. Тази скала (по-малко от 100 nm) позволява цяла серия от нови ефекти. Тук ефектите на квантовата физика, включително тунелирането, и взаимодействието с молекулните системи, и биологичната активност и съвместимост, и преразвита повърхност, чийто обем (по-точно, близо-повърхностния слой) е съпоставим с общия обем на самия нанообект. Тези свойства са съкровищница от възможности за нанотехнолога и в същото време проклятие на нанометролога. Защо?
Въпросът е, че поради наличието на специални ефекти, нанообектите изискват напълно нови подходи. Те не могат да се разглеждат оптически в класическия смисъл поради фундаменталното ограничение на резолюцията, което може да бъде постигнато. Защото тя е строго обвързана с дължината на вълната на видимото излъчване (можете да използвате смущения и т.н., но всичко това вече е екзотично). Има няколко основни решения на този проблем.
Всичко започна с автоелектронен проектор (1936), който по-късно беше модифициран в авто-йонно (1951). Принципът на неговото действие се основава на праволинейното движение на електрони и йони под действието на електростатична сила, насочена от наноразмерния катод към анодния екран на макроскопичните размери, от които вече се нуждаем. Картината, която наблюдаваме на екрана, се формира при или близо до катода поради определени физични и химични процеси. На първо място, това е извличането на полеви електрони от атомната структура на катода и поляризацията на атомите на „образния“газ в близост до върха на катода. След като се формира, картината под формата на определено разпределение на йони или електрони се проектира върху екрана, където се проявява чрез силите на флуоресценцията. По този елегантен начин можете да разгледате наноструктурата на накрайниците, изработени от определени метали и полупроводници,но елегантността на решението тук е обвързана с твърде строги ограничения за това, което можем да видим, така че тези проектори не са станали много популярни.
Друго решение е буквалният усет на повърхността, за първи път реализиран през 1981 г. като сканиращ сондарски микроскоп, който е удостоен с Нобелова награда през 1986 г. Както можете да се досетите от името, повърхността, която ще се изследва, се сканира с помощта на сонда, която е заострена игла.
Микроскоп за сканиране на сондата
© Институт Макс Планк за изследвания на твърдото тяло
Между връхната и повърхностната структура възниква взаимодействие, което може да се определи с висока точност дори от силата, действаща върху сондата, дори от възникващото отклонение на сондата, дори от промяната на честотата (фаза, амплитуда) на трептенията на сондата. Първоначалното взаимодействие, което определя способността за изследване на почти всеки обект, тоест универсалността на метода, се основава на отблъскващата сила, произтичаща от контакт и на далечни сили на ван дер Ваалс. Възможно е да се използват други сили и дори възникващият тунелен ток, картографиране на повърхността не само от гледна точка на пространственото разположение на повърхността на нанообъектите, но и техните други свойства. Важно е самата сонда да е с наноразмер, в противен случай сондата няма да сканира повърхността, т.е.а повърхността е сонда (по силата на третия закон на Нютон, взаимодействието се определя от двата обекта и в известен смисъл симетрично). Но като цяло този метод се оказа едновременно универсален и притежава най-широк спектър от възможности, така че се превърна в един от основните в изследването на наноструктурите. Основният му недостатък е, че той отнема много време, особено в сравнение с електронните микроскопи.
Между другото, електронните микроскопи също са сондни микроскопи, само фокусиран електронен лъч действа като сонда в тях. Използването на система от лещи го прави концептуално подобен на оптичния, макар и не без големи разлики. Първо и основно: един електрон има по-къса дължина на вълната от фотона, поради своята масивност. Разбира се, дължините на вълните тук не принадлежат на частиците, електрона и фотона, но характеризират поведението на вълните, съответстващи на тях. Друга важна разлика: взаимодействието на телата с фотони и с електрони е съвсем различно, макар и не лишено от общи черти. В някои случаи информацията, получена от взаимодействие с електрони, е дори по-смислена, отколкото от взаимодействие със светлина - обаче, обратната ситуация не е рядкост.
И последното нещо, на което трябва да се обърне внимание, е разликата между оптичните системи: ако материалните тела традиционно са лещи за светлина, то за електронните лъчи това са електромагнитни полета, което дава по-голяма свобода за манипулиране на електрони. Това е „тайната“на сканиращите електронни микроскопи, изображението на което, макар да изглежда, че е получено в конвенционален светлинен микроскоп, е направено така само за удобство на оператора, но е получено от компютърен анализ на характеристиките на взаимодействието на електронен лъч с отделен растер (пиксел) на проби, които впоследствие се сканират. Взаимодействието на електрони с тяло дава възможност за картографиране на повърхността по отношение на релефни, химически състав и дори свойства на луминесценция. Електронните лъчи са способни да преминават през тънки проби,което ви позволява да видите вътрешната структура на такива обекти - до атомни слоеве.
Това са основните методи за разграничаване и изследване на геометрията на обектите на ниво наноразмер. Има и други, но те работят с цели системи от нанообъекти, изчислявайки статистически техните параметри. Ето рентгеновата дифрактометрия на прахове, която ви позволява да разберете не само фазовия състав на праха, но и нещо за разпределението на размера на кристалите; и елипсометрия, която характеризира дебелината на тънките филми (нещо, което е незаменим при създаването на електроника, при което архитектурата на системите се създава главно на слоеве); и газови сорбционни методи за анализ на специфична повърхност. Езикът може да бъде разбит с имената на някои методи: динамично разсейване на светлината, електроакустична спектроскопия, релактометрия на ядрено-магнитен резонанс (обаче, тя просто се нарича NMR релактометрия).
Но това не е всичко. Например, заряд може да бъде прехвърлен към наночастица, движеща се във въздуха, след което може да се включи електростатично поле и в зависимост от това как частицата се отклонява, може да се изчисли нейният аеродинамичен размер (силата на триене спрямо въздуха зависи от размера на частиците). Между другото, по подобен начин размерът на наночастиците се определя при споменатия вече метод на динамично разсейване на светлината, анализира се само скоростта на движението на Браун и освен това косвено от колебанията в разсейването на светлината. Получава се хидродинамичният диаметър на частиците. И има повече от един такъв "умен" метод.
Такова изобилие от методи, които сякаш измерват едно и също нещо - размер, има една интересна подробност. Стойността на размера на един и същ нано-обект често се различава, понякога дори на моменти.
Какъв размер е правилен?
Време е да си припомним обикновената метрология: резултатите от измерванията, в допълнение към действителната измерена стойност, също се определят от точността на измерване и метода, чрез който е извършено измерването. Съответно разликата в резултатите може да се обясни както с различна точност, така и с различен характер на измерените стойности. Тезата за различното естество на различните размери на една и съща наночастица може да изглежда странна, но е така. Размерът на една наночастица по отношение на нейното поведение във водна дисперсия не е същият като нейния размер по отношение на адсорбция на газовете на нейната повърхност и не е същия като размера си по отношение на взаимодействие с електронен лъч в микроскоп. Да не говорим за факта, че за статистическите методи е невъзможно да се говори и за определен размер, а само за стойност, която характеризира размера. Но въпреки тези различия (или дори благодарение на тях), всички тези резултати могат да се считат за еднакво верни, просто казвайки малко за различни неща, гледайки от различни ъгли. Но тези резултати могат да се сравняват само от гледна точка на адекватността на разчитането на тях в определени ситуации: за да се предвиди поведението на наночастица в течност, е по-адекватно да се използва стойността на хидродинамичния диаметър и т.н.
Всичко по-горе е вярно за конвенционалната метрология и дори за всеки запис на факти, но това често се пренебрегва. Можем да кажем, че няма факти, по-верни и по-малко верни, по-съвместими с реалността и по-малко (освен може би фалшификация), но има само факти, които са все по-малко адекватни за използване в дадена ситуация, както и базирани на повече и по-малко правилното тълкуване за това. Философите са научили това добре още от времето на позитивизма: всеки факт е натоварен теоретично.