Открытие микроскопа

9 марта 1931 года немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской был создан первый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ). Первый практический ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто в Канаде в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

ПЭМ это прибор, в котором изображение получается в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца (толщиной порядка 100 нм) с последующим увеличением магнитными линзами и дальнейшей регистрацией на флуоресцентном экране – фотоплёнке.

В конце 1930-х годов появились растровые электронные микроскопы (РЭМ), формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось только начале 60-х годов, когда они достигли значительного технического совершенства.

Достаточно долго идеи нанотехнологии не использовались на практике из-за отсутствия технической базы. Первый сканирующий туннельный микроскопа (СТМ) был создан швейцарскими учеными Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером. 16 марта 1981 года им удалось увидеть отдельные атомы кремния. Этот день считается днем рождения сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). После создания сканирующего туннельного микроскопа Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером (США) в 1986 году был создан атомный силовой микроскоп (АСМ). Эти устройства работают на основе тонкого зонда с радиусом острия около 10 нм, который приближается к поверхности до 1 нм и перемещается над ней с высокой точностью. Основная информация о рельефе поверхности в первом случае (для СЗМ) несет электрический ток, возникающий между зондом и поверхностью за счет туннелирования электронов через потенциальный барьер, а во втором (для АСМ) – сила взаимодействия зонда с атомами поверхности. Отличие АСМ от СЗМ в том, что АСМ наряду с металлическими образцами изучает и полупроводниковые и диэлектрические материалы. Разрешение микроскопов достигает десятых долей нанометра, что позволяет идентифицировать отдельные атомы и с высокой точностью и определять их положение на поверхности [16].

Основной проблемой при исследовании на сканирующем туннельном микроскопе были фоновые помехи, связанные с позиционированием острия микроскопа с точностью до долей атома, сбивалось от малейших вибраций даже вне лаборатории. К тому же с помощью прибора можно было исследовать нанообъекты только на электропроводящей подложке.

Современные сканирующие микроскопы можно уже назвать наноскопами, которые различают по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 часть диаметра атома водорода), по горизонтали около 0,2 нм.

В 1980-1981 годах ученые уже разработали метод получения нанокластеров для детального изучения многоатомных молекул, особенно для металлов переходных структур. В эксперименте кластеры, состоящие из 40-100 атомов, получались путем лазерного испарения в сверхзвуковых соплах. Используя данный метод в 1984 году, немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры. С 1982 по 1985 годы, а профессором Гербертом Гляйтером, изучавшим структуры различных конструкционных материалов было предложена концепция наноструктуры твердого тела.