22. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.

Отдельного внимания заслуживает оптический микроскоп ближнего поля (SNOM). По принципу действия он напоминает туннельный микроскоп, только в качестве зонда здесь применяется очень тонкая “прозрачная игла” из оптоволокна, а вместо туннельного тока регистрируются изменения характеристик проходящего по ней лазерного луча. Оптоволоконный зонд, сужающийся до диаметра меньше длины волны света, подносится вплотную к сканируемой поверхности (на расстояние меньше длины волны) и как бы “чувствует” поверхность. “Чувствовать” здесь означает буквально следующее: согласно законам оптики на границе раздела двух сред различной плотности (стекло/воздух) световой луч преломляется и отражается от торца иглы. При этом световая волна не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика.

На другом конце волновода установлен приемник отраженного от свободного торца света. Зонд сканирует образец подобно игле туннельного микроскопа, и если меняется расстояние между исследуемой поверхностью и кончиком зонда, то меняются и характеристики отраженной световой волны (амплитуда и фаза).

Э ти изменения регистрируются приемником и используются для построения изображения рельефа поверхности. Разрешение, получаемое таким методом, достигает 50 нм, что на порядки превосходит разрешение обычного оптического микроскопа. Кроме того, оптическая микроскопия ближнего поля идеально подходит для исследования различных биообъектов, ведь при использовании простых световых волн биообъект не подвергается никакому разрушительному воздействию (в отличие от АСМ, где возможно механическое повреждение образца, или электронной микроскопии с ее ионизирующим облучением). Недавно исследователи добились еще большего разрешения SNOM, объединив ближнепольную оптическую микроскопию с многоножкой от IBM. У такого гибридного прибора ожидается разрешение в 13 нм, что в десятки раз меньше длины световой волны!

23. Наноиндентор

Большинство веществ в наноформе значительно отличаются по химическим свойствам от своего макроскопического состояния. В частности, изменяется их каталитическая активность. Это объясняется тем, что удельная площадь поверхности (доля поверхностных атомов) у нанообъектов значительно выше, чем у веществ в обычном состоянии. То же самое справедливо и для механических свойств (твёрдости, пластичности,упругости )

Рисунок: Схема работы наноиндентора.

Результаты практических опытов показали, что абсолютное большинство материалов в субмикронных масштабах ведут себя как предельно прочные, подобные алмазу, даже если в обычном состоянии являются мягкими материалами (как, например, пластилин). Другими словами, в условиях наноконтакта твёрдость материала может во много раз превышать его макроскопическую твёрдость. Особенно сильно это проявляется в областях с характерными размерами менее 100 нм. Наглядной моделью этого поразительного, на первый взгляд, процесса может служить пружина: гораздо легче сжать металлическую пружину, чем сам материал, из которого она состоит. Для исследования механических свойств различных материалов в нанометровом диапазоне широко применяется специальный метод определения микротвердости вещества - наноиндентирование (от англ. «indent» - выдалбливать, образовывать выемку).

Наноиндентирование основано исключительно на механическом воздействии на исследуемую поверхность и не требует визуализации ее рельефа. Метод очень прост и заключается в прецизионном погружении зонда в поверхность образца на глубину нескольких нм и непрерывной регистрации прилагаемого усилия. Затем по этим данным строится диаграмма «сила давления - глубина погружения», из которой можно извлечь десятки параметров, характеризующих материал на нанометровом уровне!

Рисунок: принцип действия наноиндентора. (Р - нагрузка на индентор; h - вертикальное смешение индентора; t - время; τ - длительность цикла нагружения).

Этот простой и дешевый способ позволяет, имея в распоряжении минимум материала, производить комплексные исследования его поверхностных свойств.Наноиндентирование позволяет исследовать динамику процессов в наномасштабе, что недоступно другим методам, в частности, атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии