Приветствую вас, славные жители Хаброгорода!
Плюсы в комментариях в посте IBM и ответы на мой вопрос в Тостереа еще карма, выросшая за ночь в 3 раза обозначили яркое желание Хабра читать научно-популярные статьи: достаточно глубокие, но написанные человеческим языком и с прозрачными аналогиями. Заранее определим, как и о чем мы будем писать.
В постах НЕ будет:
В публикациях будет:
Материала очень много и для усиления усваивания лучше начать с инженерной статьи. Итак, как же понять, что за технология перед нами, нано или нет? Давайте измерим ее.
Прежде всего, отметим, что я по мышлению скорее технолог и экспериментатор, поэтому с большим неодобрением отношусь к людям, кто использует математический аппарат, не понимая сути процесса и природу физики изучаемых явлений.
Давайте забудем про модный бренд «нанотехнологии» и высокопарные определения. Нано- является одной из приставок масштаба. Ничем не отличается от микро- или мега-. Таким образом, логично считать, что если мы можем в технологиях оперировать объектами размером, сопоставимым с миллиметром (например выточка деталей на токарном станке) — то это миллитехнологии.
Попробуем представить наномасштаб и одну миллиардную часть метра. Толщина человеческого волоса (кстати, зависит от его цвета) составляет десятки микрометров. Наномасштаб начинается, если мы эту толщину уменьшим в 10 000 (!) раз. Возьмите в руки волосок и оцените его ширину на глаз. Предлагаю вам мысленно ее уменьшить. Сложно представить? А я не говорил, что это просто (откровенно говоря, вообще невозможно).
Оказывается измерить проще, чем вообразить. Физика вообще удивительна тем, что для объяснения природы постоянно придумывает невозможные аналогии в целях описания вещей, которые невозможно представить.
Для измерения метража комнаты лучше использовать рулетку. Ширину Ipad'a удобнее измерить с помощью линейки. Толщина заводской детали отлично меряется с помощью штангециркуля. А толщину волоса можно увидеть на оптическом (школьном) микроскопе.
Но как измерить нанобъект?
Любое измерение строится на понятии сопоставления с эталоном. Как это происходит?
Других методов прямых измерений длины не существует (или я не могу вспомнить). Важно понимать, что прямые измерения — это действия, когда результатом является непосредственно искомая величина. Конечно же, я могу измерить толщину стекла, ориентируясь на изменение интенсивности прошедшего через нее света (чем толще стекло — тем меньше света). Я измеряю интенсивность света, а потом косвенно вычисляю толщину по каким-то зависимостям. Как можно догадаться — это косвенные измерения.
Можем ли мы наложить эталонный нанообъект на другой? Конечно нет. Можем ли мы визуально сравнить? Можем, но это очень сложно (связано с природой света. Объяснение и методы обхода природных ограничений будут в следующих статья).
Если мы не можем представить и увидеть, то давайте… ощупаем!
В 1981 году был придуман сканирующий туннельный микроскоп или СТМ. Идея следующая: берем граммафон с тонкой проводящей иглой и располагаем зонд над образцом (касания нет).
Фотография метода сканирующей зондовой микроскопии
На приборе детектируем ток, так как электрическая цепь замыкается (электроны перепрыгивают с поверхности на иглу, так называемый туннельный эффект). Если зонд проходит над ямой — видим ослабление тока. Если под зондом горка — усиление. Так происходит из-за изменения расстояния между иглой и образцом. На основе данных строим картинки (контраст зависит от величины тока в конкретной точке. Чем светлее — тем выше значения, так как зонд был ближе к поверхности).
Слева мы наблюдаем фотографию, сделанную с помощью оптических методов (масштаб 10 микрометров), справа изображение, полученное с помощью СТМ. Забавно, но цвета нет и не может быть. Все картинки из микромира раскрашиваются вручную для попсовой наглядности. В наномасштабах понятие цвета просто исчезает.
Просто и красиво, не так ли? Давайте повторим это дома. Добываем все необходимые инструменты, затачиваем иглу.
По научному, не игла, а кантилевер. Кстати, его толщина на конце может достигать 10 нм. Как такой сделать? Вопрос на отдельную статью. А пока, допустим вам Дед Мороз подарил ;)
Возникает вопрос, как приблизить иглу к поверхности достаточно близко (порядка 0.1 — 1 нанометров) и случайно не коснуться образца?
Для измерения наномасштаба нужно предварительно научиться двигать объекты с наноточностью. В современных зондовых микроскопах точность удержания зонда составляет 0.001 нанометра! Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров. Фантастика, короче.
К счастью, выход есть — пьезоэлектрические элементы. В зависимости от пропускания тока через себя, размер таких элементов меняется в «нанопределах». Быстрая и прямая аналогия — температурная расширение. Если мы нагреваем металл — он меняет свой размер, незаметно для глаза, но ощутимо для инженерных конструкций. У «пьезы» такое же свойство, но с электрическим током.
Получается, если мы присоединим зонд к такому элементу, подведем с помощью микроскопа на расстояние 1 мкм, потом пустим ток через «пьезу» — преодолеем еще 0.99 мкм и будем рядом с поверхностью, как и требовалось! Проблема решена. Мы можем приступать к измерениям.
В зондовой микроскопии есть несколько режимов измерений:
При сканировании кантилевером поверхности мы можем приподнимать зонд при усилении тока (чтобы уменьшить туннельный эффект) или опускать, чтобы усилить. Таким образом, мы стремимся к режиму постоянного тока в зависимости от высоты. Игла всегда имеет один уровень сближения с поверхностью, то есть мы тщательно «ощупываем» образец.
А можем зафиксировать высоту иглы и двигать ее только в горизонтальных направлениях, ориентируясь на изменение тока. Это режим постоянный высоты. Это удобно, если образец достаточно однородный по высоте — мы можем быстро «пробежаться» параллельно поверхности и снять данные по току.
Схема работы с поверхностью при разных режимах.
Так или иначе, мы всегда можем ��днозначно определить высоту объекта.
Но как измерить его ширину, или научным языком, латеральный размер? Как вы понимаете, речь идет не об огромных холмах как на предыдущей картинке, а о объектах размером в несколько нанометров.
Вот так выглядит наш нанообъект на столике.
А вот так выглядит тот же объект рядом с острием кантилевера.
Разумно, что при движении зонда влево, шарик начнет касаться зонд сбоку, а не снизу. Начнется плавный подъем, выход на максимум (когда шарик точно будет под острием зонда), потом плавный спуск. Очевидно ли, что мы получим плавный кривой холм (зависимость высоты поднятия зонда от координаты), у которого четко видно высоту, а ширина размазана независимо от формы и толщины нанообъекта?
Таким образом, мы можем только оценить латеральный размер, но точность определения сильно ниже, чем высотные измерения.
Разумеется, есть еще много тонкостей и нюансов, которые не имеют особой ценности для неспециалистов. Давайте подводить итоги.
Преимущества СТМ:
Недостатки СТМ:
Фотография установки СТМ. Цену в интернете не так просто найти, но ориентируйтесь на 6 нулей в рублевом эквиваленте, в зависимости от комплектации.
Все сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) в основе метода используют типы воздействия зонда с поверхностью.
В следующей статье я расскажу о естественной эволюции СТМ и о том как извлечь пользу из гравитационных сил, почему зонд колеблется и в чем сложность измерения крошечных углов.
Ловите красивую картинку напоследок:
Плюсы в комментариях в посте IBM и ответы на мой вопрос в Тостере
В постах НЕ будет:
- повторов знаний из Википедии и научно-популярной клюквы с утверждениями, «взятыми с потолка»;
- математики и формул. Вообще;
- ликбеза по поводу школьного курса физики.да мне не сложно, но тогда статья вырастет до размеров самки кита ;D. Все мы люди взрослые и если не понимаем основы основ — ищем ответ самостоятельно или спрашиваем в комментариях.
В публикациях будет:
- упор на техническую и инженерную часть;
- много вопросов. Мне хотелось, чтобы читатель включил свой мозг и пытался бы думать как исследователь;
- большое количество наглядных картинок.
Материала очень много и для усиления усваивания лучше начать с инженерной статьи. Итак, как же понять, что за технология перед нами, нано или нет? Давайте измерим ее.
Волшебная линейка
Прежде всего, отметим, что я по мышлению скорее технолог и экспериментатор, поэтому с большим неодобрением отношусь к людям, кто использует математический аппарат, не понимая сути процесса и природу физики изучаемых явлений.
Моим учителям
К сожалению, образование в нашей стране работает по принципу: ОЧЕНЬ много математики и отсутствие наглядных сравнений. Этим абзацем я хочу выразить свое признание и благодарность моим учителям, кто (удивительно!) на последних курсах института не пичкал формулами, а объяснял суть физики на пальцах. Их имена: И.С. Васильевский, В. А. Кульбачинский и легендарный В.П. Гладков, кто научил нас думать после нескольких лет мозговой импотенции.
Давайте забудем про модный бренд «нанотехнологии» и высокопарные определения. Нано- является одной из приставок масштаба. Ничем не отличается от микро- или мега-. Таким образом, логично считать, что если мы можем в технологиях оперировать объектами размером, сопоставимым с миллиметром (например выточка деталей на токарном станке) — то это миллитехнологии.
Попробуем представить наномасштаб и одну миллиардную часть метра. Толщина человеческого волоса (кстати, зависит от его цвета) составляет десятки микрометров. Наномасштаб начинается, если мы эту толщину уменьшим в 10 000 (!) раз. Возьмите в руки волосок и оцените его ширину на глаз. Предлагаю вам мысленно ее уменьшить. Сложно представить? А я не говорил, что это просто (откровенно говоря, вообще невозможно).
Оказывается измерить проще, чем вообразить. Физика вообще удивительна тем, что для объяснения природы постоянно придумывает невозможные аналогии в целях описания вещей, которые невозможно представить.
Для измерения метража комнаты лучше использовать рулетку. Ширину Ipad'a удобнее измерить с помощью линейки. Толщина заводской детали отлично меряется с помощью штангециркуля. А толщину волоса можно увидеть на оптическом (школьном) микроскопе.
Но как измерить нанобъект?
Любое измерение строится на понятии сопоставления с эталоном. Как это происходит?
- Визуальное сравнение: Мы можем найти камешек размером с микрометр, положить его на столик микроскопа, посмотреть, отрисовать шкалу измерений на линзе и при дальнейших исследовани�� ориентироваться по ней.
- Наложением: Берем линейку или рулетку, знаем ее точный размер. Прикладываем ее к образцу, смотрим сколько раз объект укладывается на линейке, вычисляем искомую длину.
Других методов прямых измерений длины не существует (или я не могу вспомнить). Важно понимать, что прямые измерения — это действия, когда результатом является непосредственно искомая величина. Конечно же, я могу измерить толщину стекла, ориентируясь на изменение интенсивности прошедшего через нее света (чем толще стекло — тем меньше света). Я измеряю интенсивность света, а потом косвенно вычисляю толщину по каким-то зависимостям. Как можно догадаться — это косвенные измерения.
Можем ли мы наложить эталонный нанообъект на другой? Конечно нет. Можем ли мы визуально сравнить? Можем, но это очень сложно (связано с природой света. Объяснение и методы обхода природных ограничений будут в следующих статья).
Если мы не можем представить и увидеть, то давайте… ощупаем!
Зондовая микросокопия. Принципы СТМ
В 1981 году был придуман сканирующий туннельный микроскоп или СТМ. Идея следующая: берем граммафон с тонкой проводящей иглой и располагаем зонд над образцом (касания нет).
Фотография метода сканирующей зондовой микроскопии
На приборе детектируем ток, так как электрическая цепь замыкается (электроны перепрыгивают с поверхности на иглу, так называемый туннельный эффект). Если зонд проходит над ямой — видим ослабление тока. Если под зондом горка — усиление. Так происходит из-за изменения расстояния между иглой и образцом. На основе данных строим картинки (контраст зависит от величины тока в конкретной точке. Чем светлее — тем выше значения, так как зонд был ближе к поверхности).
Слева мы наблюдаем фотографию, сделанную с помощью оптических методов (масштаб 10 микрометров), справа изображение, полученное с помощью СТМ. Забавно, но цвета нет и не может быть. Все картинки из микромира раскрашиваются вручную для попсовой наглядности. В наномасштабах понятие цвета просто исчезает.
Просто и красиво, не так ли? Давайте повторим это дома. Добываем все необходимые инструменты, затачиваем иглу.
По научному, не игла, а кантилевер. Кстати, его толщина на конце может достигать 10 нм. Как такой сделать? Вопрос на отдельную статью. А пока, допустим вам Дед Мороз подарил ;)
Возникает вопрос, как приблизить иглу к поверхности достаточно близко (порядка 0.1 — 1 нанометров) и случайно не коснуться образца?
Для измерения наномасштаба нужно предварительно научиться двигать объекты с наноточностью. В современных зондовых микроскопах точность удержания зонда составляет 0.001 нанометра! Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров. Фантастика, короче.
К счастью, выход есть — пьезоэлектрические элементы. В зависимости от пропускания тока через себя, размер таких элементов меняется в «нанопределах». Быстрая и прямая аналогия — температурная расширение. Если мы нагреваем металл — он меняет свой размер, незаметно для глаза, но ощутимо для инженерных конструкций. У «пьезы» такое же свойство, но с электрическим током.
Получается, если мы присоединим зонд к такому элементу, подведем с помощью микроскопа на расстояние 1 мкм, потом пустим ток через «пьезу» — преодолеем еще 0.99 мкм и будем рядом с поверхностью, как и требовалось! Проблема решена. Мы можем приступать к измерениям.
Измерения и новые проблемы
В зондовой микроскопии есть несколько режимов измерений:
При сканировании кантилевером поверхности мы можем приподнимать зонд при усилении тока (чтобы уменьшить туннельный эффект) или опускать, чтобы усилить. Таким образом, мы стремимся к режиму постоянного тока в зависимости от высоты. Игла всегда имеет один уровень сближения с поверхностью, то есть мы тщательно «ощупываем» образец.
А можем зафиксировать высоту иглы и двигать ее только в горизонтальных направлениях, ориентируясь на изменение тока. Это режим постоянный высоты. Это удобно, если образец достаточно однородный по высоте — мы можем быстро «пробежаться» параллельно поверхности и снять данные по току.
Схема работы с поверхностью при разных режимах.
Так или иначе, мы всегда можем ��днозначно определить высоту объекта.
Но как измерить его ширину, или научным языком, латеральный размер? Как вы понимаете, речь идет не об огромных холмах как на предыдущей картинке, а о объектах размером в несколько нанометров.
Вот так выглядит наш нанообъект на столике.
А вот так выглядит тот же объект рядом с острием кантилевера.
Разумно, что при движении зонда влево, шарик начнет касаться зонд сбоку, а не снизу. Начнется плавный подъем, выход на максимум (когда шарик точно будет под острием зонда), потом плавный спуск. Очевидно ли, что мы получим плавный кривой холм (зависимость высоты поднятия зонда от координаты), у которого четко видно высоту, а ширина размазана независимо от формы и толщины нанообъекта?
Таким образом, мы можем только оценить латеральный размер, но точность определения сильно ниже, чем высотные измерения.
Заключение
Разумеется, есть еще много тонкостей и нюансов, которые не имеют особой ценности для неспециалистов. Давайте подводить итоги.
Преимущества СТМ:
- точность измерений 0.1 — 10 нм (я так и не смог найти данные в интернете, а до тетрадей далеко. Могу немного ошибаться, указываю по памяти).
- нет прямых воздействий на образец (не повреждаем поверхность, другие методы не так лояльны).
Недостатки СТМ:
- измеряет только проводящие образцы (поэтому часто всякую органику напыляют золотом, чтобы «увидеть»).
- очень долго (помню, сидел в лаборатории 40 минут, пока сканировали небольшую площадку размером несколько десятков микрометров. Чем больше время измерения, тем точнее и лучше картинка).
- слабое определение латеральных размеров.
Фотография установки СТМ. Цену в интернете не так просто найти, но ориентируйтесь на 6 нулей в рублевом эквиваленте, в зависимости от комплектации.
Все сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) в основе метода используют типы воздействия зонда с поверхностью.
В следующей статье я расскажу о естественной эволюции СТМ и о том как извлечь пользу из гравитационных сил, почему зонд колеблется и в чем сложность измерения крошечных углов.
Ловите красивую картинку напоследок:
