Электронный микроскоп.
В них электронный пучок пропускается через тонкие слои исследуемого вещества. В них вместо стеклянных линз применяются электронные линзы, то есть поля определенной конфигурации, электронные пучки не могут распространяться без рассеивания даже в газовых средах, поэтому там должен быть создан высокий вакуум.
Существует 2 класса электронных микроскопов:
Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ): в них электронный пучок пропускается через тонкие слои вещества.
Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ): электронный пучок последовательно отражается от маленьких участков поверхности, от исследуемой поверхности. Тогда можно изучить структуру поверхности, ее особенности при взаимодействии пучка с поверхностью. Поверхность тела сканируется электронным пучком, он создается внешним источником, подается под напряжением и облучаемая поверхность начинает выделять либо вторичные электроны, либо кванты света, и эти пучки можно поймать, преобразовать и визуализировать. Это сложно и дорого.
Более современные, лишенные недостатков многих:
Сканирующее электронно-зондовые микроскопы – следующее поколение микроскопов.
Сканирующее электронно-зондовые микроскопы (СЭЗМ) сканируют поверхность исследуемого образца при помощи зонда или щупа в виде крошечной металлической иголки (кончик размером в один атом). Вот эта иголочка колеблется под поверхностью вещества, когда она проходит над, между атомами. Иголка закреплена на специальном кронштейне. Смотрим на слайд. Это можно сравнить с тем, как слепые читают шрифт Брайля, только здесь это на уровне токов. Нужно изготовить иголочку (зонд сверху) с одним атомом. Идея красивая, изящная, тяжело воспроизводимая, уязвимая. Нельзя посторонних шумов и тд.
Механизм представлен ниже:
Сканирующее электронно-зондовые (туннельные) микроскопы
Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный эффект. Он позволяет фиксировать неоднородные поверхности. Сканирование происходит подобно лучу в электронной трубке телевизора, в результате преобразования мы видим изображение.
Туннельный эффект – преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера.
Как возникает туннельный эффект?
Экспериментаторы пытаются максимально приблизиться к точности в реальных условиях. Но туннельный эффект возникает только на уровне квантового взаимодействия, отсюда технические проблемы. В квантовой физике допускается вероятностное попадание частицы в объект, точку пространство.
Туннельный эффект
Схематическое представление классической и квантовой физической ситуации при возникновении барьера на пути частицы.
Отрабатывая научные основы с поверхностью объектов, возник новый тип микроскопов, более прогрессивный:
Атомарно-силовой микроскоп – могут изучать поверхность, только если это материал
изолятор. Работает энергия атомных сил, зонд прикреплен к плоской пластине, в приборе измеряемой величиной выступают непосредственное взаимодействие между атомами, величина которых определяется «шероховатостью» конкретного участка поверхности в точке измерения.
АСМ позволяет получать изображения с очень высокой степенью точности, до одного ангстрема в пределе – и это повышает точность предыдущих микроскопов. В этих микроскопах нет ограничений от близости острия к исследуемой поверхности. Можно исследовать материалы диэлектрики, в которых тока вообще не возникает.
Нельзя работать с наноразмерными состояниями вещества с помощью оптики. Используются особые микроскопы, не оптические. Ограничения: длина волны отраженного света, дифракционный предел, он не может быть меньше 200 нм, мы не можем рассмотреть размеры меньше размера. Нужно создавать объекты сложного технического устройства, эволюция которых рассказана.
Посмотрите фильм. Я вас попрошу посмотреть этот мультфильм, он длится несколько секунд, можете его запустить пока я буду рассказывать.
«Мальчик и его атом» (A Boy and his atom) — анимационный короткометражный фильм IBM Research 2013 года, созданный путём перемещения атомов. Самая маленькая анимация, там управляют отдельными атомами углерода, расположенными на медной подложке при помощи туннельного микроскопа. Атомы распределяются по нужным местам на поверхности меди, с помощью тонкого острия туннельного микроскопа, картинку считывают зондом, картинку видите. Фокус манипуляции с одиночными атомами с помощью микроскопа основан на том, что меняют величину электрического потенциала между иглой и поверхностью, если увеличить, то можно спровоцировать образование ионной связи между выбранным атомом и атомом на кончике иглы, то есть можно подхватить этот атом, отсоединить его от подложки, перенести, изменить напряжение, потом прервать эту ионную непрочную связь и вернуть его на место. Перемещать можно на небольшие расстояния, в этом мультфильме атомы прыгают. Должна поддерживаться температура абсолютного нуля на подложке, то есть около – 270 градусов по Цельсию, чтобы тепловое движение не искажало картинку. Мультфильм короткий, в нем 242 кадра. В этом фильме манипуляция идет 10 000 атомов. Фирма IBM занимается уменьшением объема кодирования информации, 1 бит информации можно закодировать имея всего 12 атомов. Перемещая атомы по определенным поверхностям можно создавать магнитные записи очень плотные. В 90-м году эта же технология была использована для создания самого маленького логотипа IBM, где за 72 часа работы инженеры сделали из атомов логотип IBM.
Типы наноматериалов.
Наноматериал – много типов разных материалов, продукт нанотехнологии, важнейшие функциональные свойства которого определяются наноуровнем его структуры (1-100нм). (Академик Ю.Д. Третьяков).
Заблуждением является представление о том, что наноматериалы - это микроскопические частицы; это могут быть вполне осязаемые макроскопические объекты, которые наноструктурированы на поверхности или внутри объема.
Наноразмерное состояние – это особое состояние вещества.
Наночастицы – частицы размерами от 1 до 100 нанометров.
Типы наноматериалов:
Наночастицы. Их можно перемещать. Дано на слайде определение, что такое 200 нм. И эти материалы частицы можно помещать в: