Stepan Lisovsky, doktorand vid MIPT, anställd vid Institutionen för nanometrologi och nanomaterial, berättar om de grundläggande principerna för nanometrologi och funktionerna i olika mikroskop och förklarar varför partikelstorleken beror på hur det mäts.
Referenstänkande
Till att börja med - om enkel metrologi. Som en disciplin kunde det ha uppstått i antiken, då talade många om åtgärden - från Pythagoras till Aristoteles - men uppstod inte. Metrologi lyckades inte bli en del av den vetenskapliga bilden av den tidens värld på grund av samma Aristoteles. Under många århundraden framåt grundade han prioriteringen av en kvalitativ beskrivning av fenomen över en kvantitativ. Allt förändrades bara under Newtons tid. Betydelsen av fenomen "enligt Aristoteles" upphörde att tillfredsställa forskare, och betoningen förändrades - från den semantiska delen av beskrivningen till den syntaktiska. Enkelt uttryckt beslutades det att titta på måtten och graden av interaktioner mellan saker och inte försöka förstå deras väsen. Och det visade sig vara mycket fruktligare. Sedan kom den finaste timmen av metrologi.
Metrologins viktigaste uppgift är att säkerställa måttens enhetlighet. Huvudmålet är att avkoppla mätresultatet från alla uppgifter: tid, mätplats, från vem som mäter och hur han bestämmer sig för att göra det idag. Som ett resultat borde det bara finnas kvar det som alltid och överallt, oavsett någonting, kommer att höra till - dess objektiva mått, som tillhör det på grund av den verklighet som är gemensam för alla. Hur kommer man till saken? Genom sin interaktion med mätanordningen. För detta måste det finnas en enhetlig mätmetod, liksom en standard, densamma för alla.
Så vi har lärt oss att mäta - allt som återstår är att alla andra människor i världen ska mäta på samma sätt som vi gör. Detta kräver att de alla använder samma metod och använder samma standarder. Folk insåg snabbt de praktiska fördelarna med att införa ett enda åtgärdssystem och gick med på att börja förhandla. Det metriska mätsystemet dök upp, som gradvis spriddes till nästan hela världen. I Ryssland tillhör förresten Dmitry Mendeleev meriten att införa metrologiskt stöd.
Mätningsresultatet, utöver kvantitetens verkliga värde, är också en metod uttryckt i mätenheter. Således kommer en uppmätt mätare aldrig att bli en Newton, och en ohm kommer aldrig att bli en tesla. Det vill säga olika mängder innebär en annan karaktär av mätningen, men det är naturligtvis inte alltid fallet. En meter tråd visar sig vara en meter både med avseende på dess rumsliga egenskaper, och med avseende på konduktivitet, och när det gäller massan av ämnet i det. En mängd är involverad i olika fenomen, och detta underlättar arbetet hos en metrolog. Till och med energi och massa visade sig vara likvärdiga i en viss grad, därför mäts massan av supermassiva partiklar i termer av den energi som krävs för att skapa den.
Kampanjvideo:
Förutom värdet på kvantiteten och enheten för dess mätning, finns det flera viktigare faktorer som du behöver veta om varje mätning. Alla av dem ingår i en specifik mätteknik valt för det fall vi behöver. Allt ligger i det: standardprover och instrumentens noggrannhetsklass och till och med forskarnas kvalifikationer. Att veta hur man tillhandahåller allt detta, baserat på metodiken, kan vi utföra korrekta mätningar. I slutändan ger tillämpningen av tekniken oss garanterade mått på mätfelet, och hela mätresultatet reduceras till två siffror: värdet och dess fel, som forskare vanligtvis arbetar med.
Mät det osynliga
Nanometrology fungerar enligt nästan samma lagar. Men det finns ett par nyanser som inte kan ignoreras. För att förstå dem måste du förstå processerna i nanoworld och förstå vad som faktiskt är deras funktion. Med andra ord, vad som är så speciellt med nanoteknologi.
Vi måste naturligtvis börja med dimensioner: en nanometer per meter är ungefär densamma som en kines i befolkningen i Kina. Denna skala (mindre än 100 nm) tillåter en hel serie nya effekter. Här är effekterna av kvantefysik, inklusive tunneling, och interaktion med molekylsystem, och biologisk aktivitet och kompatibilitet, och en överutvecklad yta, vars volym (mera exakt det yttre ytlagret) är jämförbart med den totala volymen av nanoobjektet självt. Dessa egenskaper är en skattkista av möjligheter för nanoteknologen och samtidigt nanometrologens förbannelse. Varför?
Poängen är att på grund av förekomsten av specialeffekter kräver nanoobjekt helt nya tillvägagångssätt. De kan inte ses optiskt i klassisk mening på grund av den grundläggande begränsningen av den upplösning som kan uppnås. Eftersom det är strikt bundet till våglängden för synlig strålning (du kan använda störningar och så vidare, men allt detta är redan exotiskt). Det finns flera grundläggande lösningar på detta problem.
Det hela började med en autoelektronisk projektor (1936), som senare modifierades till en autojonisk (1951). Principen för dess funktion är baserad på den rätlinjiga rörelsen hos elektroner och joner under inverkan av en elektrostatisk kraft riktad från nanoskala-katoden till anodskärmen med de makroskopiska dimensioner som vi redan behöver. Bilden som vi ser på skärmen bildas vid eller i närheten av katoden på grund av vissa fysiska och kemiska processer. Först och främst är detta extraktionen av fältelektroner från katodens atomstruktur och polariseringen av atomer i den "avbildande" gasen nära katodspetsen. Efter att ha bildats projiceras bilden i form av en viss fördelning av joner eller elektroner på skärmen, där den manifesteras av fluorescenskrafter. På detta eleganta sätt kan du titta på nanostrukturen i spetsarna gjorda av vissa metaller och halvledare,men elegansen i lösningen här är knuten till alltför snäva begränsningar av vad vi kan se, så dessa projektorer har inte blivit särskilt populära.
En annan lösning var den bokstavliga känslan av ytan, som först realiserades 1981 som ett skanningssondmikroskop, som tilldelades Nobelpriset 1986. Som du kan gissa från namnet, skannas ytan som ska undersökas med en sond, som är en spetsig nål.
Skanna sondmikroskop
© Max Planck Institute for Solid State Research
En interaktion inträffar mellan spetsen och ytstrukturen, som kan bestämmas med hög noggrannhet även av kraften som verkar på sonden, till och med av den uppkommande avböjningen av sonden, även av förändringen i frekvensen (fas, amplitud) för sondens svängningar. Den inledande interaktionen, som bestämmer förmågan att undersöka nästan alla objekt, det vill säga metodens universalitet, är baserad på den avvisande kraften som uppstår från kontakt och på långsiktiga van der Waals-krafter. Det är möjligt att använda andra krafter, och till och med den växande tunnelströmmen, som kartlägger ytan inte bara i termer av den rumsliga platsen på ytan av nanoobjekten, utan också deras andra egenskaper. Det är viktigt att själva sonden är nanoskala, annars kommer sonden inte att skanna ytan,och ytan är en sond (i kraft av Newtons tredje lag bestäms interaktionen av både objekt och i en mening symmetriskt). Men på det hela taget visade sig denna metod vara både universell och innehar det bredaste utbudet av möjligheter, så det blev en av de viktigaste i studien av nanostrukturer. Dess största nackdel är att det är extremt tidskrävande, särskilt jämfört med elektronmikroskop.
Elektronmikroskop är förresten också sondmikroskop, bara en fokuserad elektronstråle fungerar som en sond i dem. Användningen av ett linssystem gör att det konceptuellt liknar optiskt, men inte utan större skillnader. Först och främst: en elektron har en kortare våglängd än en foton på grund av dess massivitet. Naturligtvis tillhör våglängderna här inte partiklarna, elektronen och fotonen, utan kännetecknar beteendet hos vågorna som motsvarar dem. En annan viktig skillnad: samverkan mellan kroppar med fotoner och med elektroner är helt annorlunda, även om den inte saknar gemensamma drag. I vissa fall är informationen som erhålls från interaktion med elektroner ännu mer meningsfull än från interaktion med ljus - den motsatta situationen är dock inte ovanlig.
Och det sista som bör uppmärksammas är skillnaden mellan optiska system: om materialkroppar traditionellt är linser för ljus, så är det för elektronstrålar elektromagnetiska fält, vilket ger större frihet att manipulera elektroner. Detta är "hemligheten" för skanning av elektronmikroskop, den bild, på vilken, även om den ser ut som den erhölls i ett konventionellt ljusmikroskop, är gjord så endast för operatörens bekvämlighet, men erhålls från en datoranalys av egenskaperna hos interaktionen mellan en elektronstråle med en separat raster (pixel) på prover som sedan skannas. Samverkan av elektroner med en kropp gör det möjligt att kartlägga en yta i form av lättnad, kemisk sammansättning och till och med luminescensegenskaper. Elektronstrålar kan passera genom tunna prover,vilket gör att du kan se den interna strukturen för sådana föremål - ner till atomlager.
Dessa är de viktigaste metoderna för att skilja och undersöka geometrin hos objekt på nanoskala nivå. Det finns andra, men de arbetar med hela nanoobjektsystem och beräknar deras parametrar statistiskt. Här är röntgendiffraktometri för pulver, som låter dig ta reda på inte bara pulvans faskomposition utan också något om storleksfördelningen av kristaller; och ellipsometri, som kännetecknar tjockleken på tunna filmer (en sak som inte kan ersättas i skapandet av elektronik, där systemens arkitektur främst skapas i lager); och gassorptionsmetoder för analys av specifik ytarea. Språket kan brytas med namnen på vissa metoder: dynamisk ljusspridning, elektroakustisk spektroskopi, kärnmagnetisk resonansrelaxometri (det kallas dock helt enkelt NMR-relaxometri).
Men det är inte allt. Till exempel kan en laddning överföras till en nanopartikel som rör sig i luft, varefter ett elektrostatisk fält kan slås på och beroende på hur partikeln avböjs kan dess aerodynamiska storlek beräknas (dess friktionskraft mot luft beror på partikelstorleken). Förresten, på liknande sätt bestäms storleken på nanopartiklar i den redan nämnda metoden för dynamisk ljusspridning, endast hastigheten i brunisk rörelse analyseras, och dessutom indirekt, från fluktuationer i ljusspridning. Den hydrodynamiska partikeldiametern erhålls. Och det finns mer än en sådan "smart" metod.
Ett sådant överflöd av metoder som verkar mäta samma sak - storlek, har en intressant detalj. Värdet på storleken på ett och samma nanoobjekt skiljer sig ofta, ibland till och med ibland.
Vilken storlek är korrekt?
Det är dags att återkalla vanlig metrologi: mätresultaten, förutom det faktiska uppmätta värdet, ställs också in av mätnoggrannheten och metoden som mätningen utfördes på. Följaktligen kan skillnaden i resultaten förklaras av både olika noggrannhet och de uppmätta värdenas olika natur. Avhandlingen om olika karaktär av olika storlekar på samma nanopartikel kan verka vild, men det är det. Storleken på en nanopartikel med avseende på dess beteende i en vattenhaltig dispersion är inte densamma som dess storlek när det gäller adsorption av gaser på dess yta och är inte densamma som dess storlek när det gäller interaktion med en elektronstråle i ett mikroskop. För att inte tala om det faktum att det för statistiska metoder är omöjligt att tala om en viss storlek heller, utan bara om ett värde som kännetecknar storleken. Men trots dessa skillnader (eller till och med på grund av dem), kan alla dessa resultat betraktas som lika sanna, bara säga lite om olika saker, utifrån olika vinklar. Dessa resultat kan endast jämföras med tanke på tillräckligheten att förlita sig på dem i vissa situationer: för att förutsäga beteendet hos en nanopartikel i en vätska är det lämpligare att använda värdet på den hydrodynamiska diametern, och så vidare.
Allt ovanstående gäller för konventionell metrologi och även för alla fakta, men detta förbises ofta. Vi kan säga att det inte finns några fakta som är mer sanna och mindre sanna, mer förenliga med verkligheten och mindre (utom kanske förfalskning), men det finns bara fakta som är mer och mindre tillräckliga för användning i en given situation, samt baserade på mer och mindre rätt tolkning för detta. Filosofer har lärt sig detta sedan positivismens tid: något faktum är teoretiskt laddat.