1. Нанонаука, наноматериалы и наносистемы, нанотехнологии, наноиндустрия и нанобизнес. Наномир и его объекты. Междисциплинарный характер нанотехнологии, специфика.

Что такое «нано» и откуда всё началось Это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т. е. поделена на единицу с девятью нулями — 1 000 000 000. Например, 1 нанометр — это миллиардная часть метра (1 нм = 10^–9 м). Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент (рис. 1). Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 × 10⁶ м ≈ 10⁷ м) в 100 миллионов (10⁸) раз, то получим примерно 10^–1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча — 22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 × 10^–1 м ≈ 10^–1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10⁸) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм (приблизительно диаметр углеродной молекулы фуллерена C₆₀, по своей форме похожего на футбольный мяч  Нанонаука — это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.

Нанотехнологии — это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне. Таким образом, под термином «нанотехнология» понимается совокупность технологических приемов, позволяющая создавать нанообъекты и/или манипулировать ими. Остается только дать определение нанообъектам. Но вот это, оказывается, не так просто, поэтому бОльшая часть статьи посвящена именно этому определению. Для начала приведем формальное определение, наиболее широко используемое в настоящее время: Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению. Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого, уровню существования самовоспроизводящихся структур, а наночастицы, представляющие собой супрамолекулярные структуры, стабилизированные силами межмолекулярного взаимодействия, представляют собой переходную форму от отдельных молекул к сложным функциональным системам. Это можно отразить схемой, подчеркивающей, в частности, и непрерывность Природы В схеме мир наноразмеров расположен между атомно-молекулярным миром и миром Живого, состоящего из тех же атомов и молекул, но организованных в сложные самовоспроизводящиеся структуры, а переход из одного мира в другой определяется не только (и не столько) размерами структур, сколько их сложностью. Природа давно придумала и использует в живых системах супрамолекулярные структуры. Мы же далеко не всегда можем понять, а тем более повторить то, что Природа делает легко и непринужденно. Но нельзя ждать от нее милостей, надо у нее учиться.

2. Конфокальная микроскопия – принципы работы конфокального микроскопа. Конфокальная флуоресцентная микроскопия и ее разрешающая возможность. Устройство, принципы работы и применение оптического микроскопа ближнего поля (БСОМ). Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа. Разрешающая способность и ограничения.

Конфокальная микроскопия – это один из методов световой микроскопии Конфокальный микроскоп — оптический микроскоп, обладающий значительным контрастом по сравнению с обычным микроскопом, что достигается использованием апертуры, размещённой в плоскости изображения и ограничивающей поток фонового рассеянного света. принципы работы конфокального микроскопа: Конфокальный микроскоп имеет разрешение такое же как и обычный микроскоп и ограничено оно дифракционным пределом. где длина волны излучения,  — числовая апертура объектива,  — показатель преломления среды между образцом и объективом,  — половина угла, который «захватывает» объектив. В видимом диапазоне разрешение составляет ~ 250 нм (NA=1,45, n=1,51) Однако, в последние годы успешно развиваются схемы микроскопов, которые используют нелинейные свойства флуоресценции образцов. В этом случае достигается разрешение значительно меньшее дифракционного предела и составляет ~ 3—10 нм ^[4]. Конфокальный микроскоп создаёт чёткое изображение образца, которое при использовании обычного микроскопа представляется размытым. Это достигается путем отрезания апертурой фонового света идущего из глубины образца, то есть того света, который не попадает на фокальную плоскость объектива микроскопа. В результате изображение получается с контрастом лучшим, чем в обычном оптическом микроскопе. Изображение представляет собой двумерную (2D) картину. Конфокальная флуоресцентная микроскопия и ее разрешающая возможность. Разрешающая способность микроскопа (resolution) – одна из его важнейших характеристик, определяющая качество изображения. Конфокальная флуоресцентная микроскопия отличается от обычной флуоресцентной микроскопии, в первую очередь, улучшенным разрешением вдоль оптической оси объектива (ось Z), которое достигается за счет использования принципа конфокальной фильтрации флуоресценции, излучаемой образцом. Устройство, принципы работы и применение оптического микроскопа ближнего поля (БСОМ) БСОМ имеет огромные перспективы для различных применений: в микроскопии сверхвысокого разрешения, в том числе в сочетании с высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением, в нанолитографии для модификации поверхности, в медицине и биологии для локального воздействия на объекты, а также во многих других областях. В стандартной конструкции сканирующие ближнепольные оптические микроскопы позволяют исследовать поглощающую или отражающую способность образца, однако с небольшими изменениями они могут быть использованы для различных целей полупроводниковой наноэлектроники. В конструкцию БСОМ входят: зонд (заостренный конец световода), фотоэлектронный умножитель (фотоприемник), собирающий прошедший или отраженный от поверхности образца свет, который и формирует БСОМ- изображение, сенсор для измерения расстояния между зондом и образцом, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи для поддержания расстояния зонд-образец в пределах ближнего поля и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений. БСОМ способен регистрировать единичные молекулы флуорофоров. При этом многократное сканирование поверхности позволяет следить за динамикой процессов, связанных с изменением положения молекул, их ориентацией, прочностью связи с окружающей матрицей и т.д., в том числе при импульсном облучении с нано- и пикосекундным разрешением во времени. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа. Разрешающая способность и ограничения. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) несложен. Оптическая схема электронного микроскопа просвечивающего типа аналогична схеме обычного светового микроскопа: Конденсорная линза «освещает» узким пучком электронов объект, изображение которого с помощью двух систем электронных линз – объективной и проекционной – в увеличенном масштабе переносится на конечный экран. Проходя через объект, расположенный вблизи апертурной диафрагмы объективной линзы, электроны взаимодействуют с атомами объекта и отклоняются от первоначального направления падения пучка, т.е. рассеиваются (поглощение электронов в объектах, вследствие их очень малой толщины, в большинстве случаев можно пренебречь). При этом у части электронов скорость меняется только по направлению, не меняясь по величине, что соответствует упругому рассеиванию. Скорость другой части электронов меняется и по направлению, и по величине, при этом часть энергии электронов затрачивается на ионизацию и возбуждение атомных электронов в объекте. Вследствие этого электроны, пройдя через объект, после рассеяния в нем имеют вид расходящегося пучка. При этом электроны, рассеянные на угол, больший апертурного угла объективной линзы, определяемого диаметром апертурной диафрагмы и ее геометрическим положением, поглощаются в толще материала этой диафрагмы, и в дальнейшем в формировании изображения, возникающего на экране ТЭМ, принимает участие только та часть рассеянных электронов, которая прошла через диафрагму. Таким образом, чем большей рассеивающей способностью обладает некоторый участок исследуемого объекта, тем более темным будет его изображение. Напряжение, которое используют для ускорения потока электронов в большинстве ТЭМ, достигает 50 000 – 100 000 В. Длина волны электрона при этих напряжениях составляет от 0,0055 до 0,0039 нм соответственно. Однако теоретическое максимальное разрешение, равное половине длины волны (приблизительно 0,002 нм) практически не может быть достигнуто по целому ряду причин. К ним относятся трудности изготовления деталей микроскопа с необходимой точностью, нестабильность высокого напряжения и тока в обмотках линз, а также аберрации линз, которые позволяют использовать линзы только с очень небольшими апертурами. Разрешение в 0,1 нм было достигнуто для кристаллических (периодических) материалов. Разрешение в 0,3 – 0,4 нм – для некоторых материалов с непериодический структурой. Однако для большинства биологических материалов разрешение 1 – 2 нм обычно считается приблизительным пределом; это обусловлено спецификой методов подготовки объекта и самой природой биологических объектов. Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено длиной волны фотонов, используемых для освещения образца и угловой апертурой оптической с истемы (так называемый барьер Аббе). В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400—700 нанометров) путём использования электронов. Электроны эмиттируются в электронном микроскопе посредством термоэлектронной эмиссии из нити накаливания (вольфрамовая проволока или монокристалл гексаборида лантана), либо посредством полевой эмиссии. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; которые используются при формировании изображения.

3. Растровая электронная микроскопия (рэм). Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа. Разрешающая способность и ограничения.

Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым веществом.

Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов. Устройство Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (200 эВ — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор обязательно должен быть оснащен вакуумной системой. Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трех направлениях. При взаимодействии электронов с объектом возникают несколько видов сигналов, каждый из которых улавливается специальным детектором (см. ниже). Соответственно, изображения, продуцируемые микроскопом, могут быть построены с использованием различных сигналов, часто нескольких сигналов одновременно (например, изображение во вторичных электронах, изображение в отраженных электронах, рентгеновское изображение (карта)). Принцип работы Нижеследующий рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: тонкий электронный зонд (электронный пучок) направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов. Каждый акт столкновения сопровождается появлением электрического сигнала на выходе детектора. Интенсивность электрического сигнала зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта возможно получить карту рельефа проанализированной зоны. Т онкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки телевизора. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной. Разрешающая способность и ограничения Разрешающая способность (способность различать тонкие детали) оптического микроскопа ограничена длиной волны фотонов видимого света. Наиболее мощные оптические микроскопы могут обеспечить наблюдение деталей с размером 0.1-0.2 мкм. Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо сократить длину волны, которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не фотоны, а, например, электроны, длина волны которых намного меньше. Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок. Разрешение также ограничено размером области взаимодействия электронного зонда с образцом. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не достаточно для отображения атомных плоскостей и даже атомов, в отличие от современных просвечивающих микроскопов. Тем не менее, растровый электронный микроскоп имеет ряд преимуществ перед просвечивающим микроскопом. Это — визуализация сравнительно большой области образца, исследование массивных объектов (а не только тонких пленок), набор аналитических методов, позволяющих измерять состав и свойства изучаемого объекта.