Как стать автором
Обновить

Электронный микроскоп снял видео, как формируются кристаллы NaCl

Время на прочтение3 мин
Количество просмотров15K


Учёным из Токийского университета удалось впервые в мире снять видео, как из отдельных ионов в растворе формируются кристаллы хлорида натрия, то есть обычной поваренной соли. Для этого они применили два новых метода — видеосъёмку в реальном времени с атомным разрешением и удержание кристаллов с помощью конических углеродных нанотрубок.

Процесс перехода из неупорядоченного состояния в упорядоченное кристаллическое состояние называется нуклеацией. И хотя он изучался на протяжении веков, но точные процессы на атомном уровне до сих пор не были экспериментально подтверждены.
Читать дальше →
Всего голосов 45: ↑45 и ↓0+45
Комментарии6

МРЭМ – 200. Электронный микроскоп родом из СССР

Время на прочтение3 мин
Количество просмотров18K

Неоценимую помощь в размещении статьи оказал ZEvS_Poisk с Habr.
К написанию этой статьи меня подтолкнула статья Алексея Брагина «Растровый микроскоп в гараже». С Алексеем я немного знаком по переписке и по совместному пребыванию на сайте microscopist.ru.
Читать дальше →
Всего голосов 112: ↑112 и ↓0+112
Комментарии95

Наноматериалы и нанотехнологии. Часть III

Уровень сложностиСредний
Время на прочтение24 мин
Количество просмотров1.6K

В предлагаемой статье речь пойдет об электронной микроскопии. Рассматриваются различные типы электронных микроскопов (ЭМ), включая просвечивающие и зондирующие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновская микроскопия и анализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов. Микроскопы — важное средство измерения размеров и форм объектов. Что касается рентгеновского микроскопа, то важным требованием является представление объекта в кристаллической форме. Дж. Уотсон и Ф. Крик вынуждены были найти кристаллизованную молекулу ДНК, чтобы приступить к исследованию.

Использование электронных микроскопов (ЭМ) обеспечивает (включает) изучение материи на уровне наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур с размерами менее 100 нм, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассматриваются кратко методы зондовой и растровой электронной микроскопии (РЭМ) применительно к нанотехнологиям, а также упоминается не только исследование характеристик различных наноматериалов, наноструктур и нанообъектов, но и технология их изготовления in situ (на месте).

Сканирующим туннельным микроскопом (СТМ) в 1989 г. исследователи выложили из 35 атомов ксенона три буквы логотипа IBM. Прибор (микроскоп), позволил получить изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями от 200 эВ до 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). СТМ показала себя как наиболее простой и удобный метод манипулирования отдельными атомами (IBM).

Спустя почти 25 лет IBM сделала мультфильм, в котором действовала фигура мальчика. Все сцены фильма были сложены из 242 молекул угарного газа. Как ученые работают с отдельными атомами и молекулами? Метод может быть использован для модификации наноструктур, применяющихся в фотонике и спинтронике.

Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения.

Читать далее
Всего голосов 8: ↑5 и ↓3+2
Комментарии7

Импортозамещение W катодов для сканирующих электронных микроскопов

Время на прочтение2 мин
Количество просмотров14K

Краткий рассказ о перспективах импортозамещения расходных материалов для сканирующих растровых электронных микроскопов на примере изготовления вольфрамовых термоэмиссионных катодов.

Читать далее
Всего голосов 98: ↑97 и ↓1+96
Комментарии43

Аппаратные закладки под микроскопом. Обнаружение

Уровень сложностиСредний
Время на прочтение5 мин
Количество просмотров36K

Дисклеймер. Много лет в сообществе технических специалистов идёт дискуссия о возможности внедрения троянов в популярные коммерческие микросхемы. К сожалению, в этот чисто технический вопрос вмешиваются политические аргументы: мол, давайте переходить на российские процессоры, потому что в западных чипах закладки! Такой типичный FUD (см. контрпропаганду на Хабре). Кстати, американские коллеги используют такие же аргументы, но против китайских микрочипов. Похоже, политики любят использовать «пугалки» для принятия выгодных решений, ведь искусство политики древнее самого человечества.

Хотим ещё раз подчеркнуть: мы исследуем эту тему исключительно в общемировом контексте как важную область микроэлектроники и информационной безопасности. А как используют данные факты ангажированные представители индустрии и политики — пусть останется на их совести.
Читать дальше →
Всего голосов 91: ↑82 и ↓9+73
Комментарии50

МРЭМ – 200. Электронный микроскоп родом из СССР. Цифровизация захвата изображения

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров6.5K

В 2020 году я опубликовал  здесь статью, в которой описал свой советский растровый микроскоп МРЭМ-200  1987 года выпуска. Мне было приятно, что статья вызвала большой интерес и помогла мне познакомиться с  людьми со схожими увлечениями.

Хочу рассказать о дальнейшей судьбе микроскопа и его усовершенствованиях. В статье хочу рассказать о внедрении системы прямого ввода изображения с микроскопа в компьютер и его последующей обработкой программными средствами.

За прошедшие годы микроскоп подвергся нескольким модернизациям, об одной из которых хочется рассказать. В 80-е годы  изображения с  мониторов микроскопа фиксировались для дальнейшего изучения и сохранения с помощью пленочного фотоаппарата. Для этого в комплекте с микроскопом шла специальная тубусная приставка, фиксирующаяся на мониторе. В третьем тысячелетии  мне хотелось, конечно, уже иметь компьютерный захват картинки, как в современных растровых микроскопах. В начале я пошел по самому простому пути: стал использовать цифровой фотоаппарат Canon вместо пленочного  фотоаппарата. Поскольку построение изображения в максимальном разрешении длится 41 секунду, мне пришлось перепрошить  фотоаппарат на такую длительную выдержку. Работа  с микроскопом  сразу стала комфортней, но  я понимал, что  есть еще  к чему стремиться.

В декабре 2022 года в Телеграмме я познакомился  с еще одним владельцем микроскопа МРЭМ-200. В  этой статье я буду, называть этого человека, по его просьбе, «Владелец МРЭМ-200 из Москвы, пожелавший остаться анонимным».  Он  решил проблему прямого компьютерного захвата, использовав  видео с youtube (https://www.youtube.com/watch?v=ruuxn2u3yao) известного  американского популяризатора науки Бена Краснова (Ben Krasnow). «Владелец МРЭМ-200 из Москвы, пожелавший остаться анонимным» творчески переработал информацию Бена Краснова, адаптировал софт под технические особенности  своего микроскопа  и  любезно поделился со мной этим софтом. У меня появилась программа, которая замечательно строила и сохраняла изображение на экране компьютера синхронно с изображением на родных мониторах микроскопа. Между компьютером и микроскопом добавился отдельный модуль согласования, в котором помещался АЦП с выходом USB и операционные усилители с регулировкой коэффициента усиления:

Читать далее
Всего голосов 47: ↑57 и ↓-10+67
Комментарии18

Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров20K
Если вы пропустили предыдущие выпуски — обязатально почитайте.

Достаточный вакуум ($10^{-5}$ торр) уже получен, а значит, настало время двигаться дальше: установить катод, разобраться с высоковольтным блоком питания и пустить, наконец, электроны!



Так выглядят катоды и электронная пушка с фокусирующим электродом в реальности. Под катом простое объяснение того, как это работает, а также внутренности электронно-оптической колонны в 4K качестве.
Всего голосов 78: ↑76 и ↓2+74
Комментарии42

Электронный микроскоп в гараже. Захват изображения

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров24K
Впервые видите про микроскоп в гараже? Тогда начните увлекательное чтение с первого выпуска.

С момента предыдущей публикации прошло уже очень много времени, пора уже и рассказать об успехах :) Всё это время я посвятил практическому изучению электроники (цифровой и аналоговой), сделал с десяток печатных плат (метод ЛУТ оказался неплох!), просмотрел сотни схем от разных электронных микроскопов различной давности изготовления. И даже собрал парочку проектов на Arduino, чтобы на чём-то попрактиковаться.

Получив нужный опыт и знания, приступил к разработке электроники и программного обеспечения для микроскопа.



На видео — демонстрация того, как реализовано сканирование и захват изображения. Плата пока ни к чему не подключена, но данные реальные (по градиентам серого можно угадать моменты, когда я подключаю вход к выходам сканирования по X и Y).

Всю систему разделил на следующие независимые модули:

  • Захват изображения и интерфейс с ПК.
  • Блок питания для точных элементов, и блок питания для силовых элементов (реле, клапана и пр.)
  • Управление магнитными линзами, статическое. Конденсор, фокусировка, смещение луча в начале, стигматор — всё это задаётся независимо от сканирования.
  • Управление отклонением луча. Непосредственно отвечает за перемещение луча по образцу. Увеличение задаётся именно здесь.
  • Управление вакуумной системой
  • Управление высоким напряжением и накалом катода
  • Источник высокого напряжения -1кВ для ФЭУ в детекторе вторичных электронов (SED)
  • Источник высокого напряжения +12кВ для коллектора SED (без него детектор будет работать в режиме регистрации упругоотражённых электронов — BSE)
Приступаем!
Всего голосов 87: ↑87 и ↓0+87
Комментарии46

Учёные получили изображение света, который ведёт себя как волна и частица одновременно

Время на прочтение1 мин
Количество просмотров52K


Учёным из Швейцарии и США впервые удалось запечатлеть свет, ведущий себя одновременно как волна и как частица. Для проведения эксперимента использовался уникальный электронный микроскоп в швейцарской лаборатории EPFL.

Со школы мы знаем принцип корпускулярно-волнового дуализма – в некоторых случаях свет ведёт себя, как волна, а в некоторых – как набор частицы (фотоны). Альберт Эйнштейн использовал этот принцип, объяснив, почему некоторые металлы излучают электроны, когда на них падает свет. Однако до этого момента эксперимент, позволяющий увидеть, как это происходит, не удавалось поставить. Теперь же учёным удалось сделать нечто вроде фотографии света, на которой видно и частицы и волны.
Читать дальше →
Всего голосов 39: ↑35 и ↓4+31
Комментарии16

Электронный микроскоп в гараже: Про вакуум

Время на прочтение10 мин
Количество просмотров37K
Для тех, кто ещё не в курсе о проекте — почитать можно вот здесь.


Обратная связь


Спасибо вам за позитивный отклик к первой части, за предложения о помощи, которые поступили и личными сообщениями и в комментариях. Не могу точно обещать даты выхода новых серий, но постараюсь радовать вас хотя бы раз в неделю.

Также у меня есть мысль записывать тематические видео про проект. Сделал пробный вариант про внутреннее устройство форвакуумного насоса для этой статьи. В этом видео есть, что улучшать: надо заменить свет в гараже, использовать хороший микрофон. Буду следить за комментариями и просмотрами, чтобы узнать, насколько вам это понравится.

Вакуум


Вакуум — это целый новый мир, где привычные материалы ведут себя совершенно по-другому. Обычная вода в вакууме мгновенно закипает и испаряется даже при собственной температуре около нуля по цельсию (одновременно делая вакуум не таким уж вакуумом).

Вообще в вакууме всё пропускает и испаряется: даже металлы, вопрос глубины вакуума и температуры. Только представьте, что обычное резиновое уплотнение пропускает значительный объём газа для того, чтобы помешать вакуумированию. Не где-то через щель, а через саму резину. Или, например, гибкий шланг помимо того, что пропускает сквозь себя воздух, ещё и слегка испаряется сам. А внутренняя поверхность вакуумной камеры накапливает газ в своих шероховатостях, и поэтому её обычно полируют. Всё это очень непривычно для понимания.

Под вакуумом работают многие интересные научные приборы: масс-спектрометры, Оже-спектрометры, напылительные установки, ускорители элементарных частиц, лазеры и, конечно, различные виды электронных микроскопов. Распространённые предметы домашнего быта, в которых есть высокий вакуум — это термос, электронно-лучевая трубка телевизора или монитора, различные виды электронных ламп.

В этой статье есть наглядное описание всего необходимого для того, чтобы вы разбирались в теме и, конечно, дальнейший прогресс в восстановлении микроскопа!
Всего голосов 93: ↑91 и ↓2+89
Комментарии140

Микроскоп нового типа позволяет снимать ход химической реакции в реальном времени

Время на прочтение2 мин
Количество просмотров11K


Большинство современных микроскопов (среди которых есть очень сложные системы) весьма хороши, но они могут использоваться только для получения статичной «картинки». Масштабы погружения человека в микромир не могут не восхищать, но все же скорость работы систем такого типа не слишком высока. Это — препятствие, например, для проведения видеосъемки химических реакций.

До последнего времени это было просто невозможно. Тем не менее, ученым MIT удалось создать систему, прототип атомно-силового микроскопа, который работает в 2000 раз быстрее любого коммерческого продукта. И видео химической реакции уже удалось получить (в продолжении). «Люди могут видеть, например, конденсацию, растворение или выпадение вещества в осадок в режиме реального времени», — сообщил представитель команды проекта, профессор Камал Юсеф-Туми (Kamal Youcef-Toumi).
Читать дальше →
Всего голосов 17: ↑13 и ↓4+9
Комментарии3

Технологии IBM помогли химикам получить изображение химических связей в аринах

Время на прочтение2 мин
Количество просмотров6K


Исследовательский центр IBM совместно с университетом Сантьяго де Компостела смог добиться получения изображения химических связей в аринах. Это достаточно сложные и весьма активные органические соединения. Простейший представитель ряда можно получить, удалив два заместителя в бензоле с образованием тройной связи. Вообще говоря, арины(циклогексадиенины) — это производные дегидробензола. Образуются, например, при взаимодействии с сильными основаниями (амидами металлов, C4H9Li и др.) галогенсодержащих ароматических соединений, при дегалогенировании их о-дигалогенпроизводных, расщеплении орто-замещенных солей диазония. Арины легко вступают в реакции электрофильного и нуклеофильного присоединения, а также циклоприсоединения.

Для получения изображения химических связей в аринах авторы работы (опубликована в Nature Chemistry) использовали методы сканирующей зондовой микроскопии. В ходе реализации проекта по изучению соединений, о которых идет речь выше, оказалось, что максимальный вклад вносит не обычная система с тройной связью, а аналог такого соединения с тремя кумулированными двойными связями.
Читать дальше →
Всего голосов 9: ↑9 и ↓0+9
Комментарии1

Гаражная находка: TESLA без пробега

Время на прочтение3 мин
Количество просмотров47K
Всем привет, я снова выхожу на связь и посмотрите с чем! На фото — очень редкий (на 1989г. было выпущено 56 штук) сканирующий электронный микроскоп производства компании TESLA, выставленный в техническом музее г. Брно. Сверхвысоковакуумная колонна, катод с холодной полевой эмиссией позволили достичь гарантированного разрешения в 5нм и увеличения 500000x.



Мне удалось заполучить в свой гараж точно такой же микроскоп, пролежавший с 1990 года в нераспакованном виде. Обзор и все подробности процесса распаковки — под катом.
Всего голосов 138: ↑137 и ↓1+136
Комментарии72

Электронный микроскоп в гараже

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров72K
image

Позвонил мне как-то друг и говорит: нашёл интересную штуку, нужно привезти к тебе, весит полтонны. Так у меня появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Её давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.

До этого момента я не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться и представлять, как оно работает. Чтобы восстановить этот микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране» потребуется:

  • Понять основы работы электронных микроскопов
  • Разобраться в том, что такое вакуум, какой он бывает
  • Как измеряют вакуум, как его получают
  • Как работают высоковакуумные насосы
  • Минимально разобраться в химии (какие растворители использовать для очистки вакуумной камеры, какое масло использовать для смазки вакуумных деталей)
  • Освоить металлообработку (токарные и фрезерные работы) для изготовления всевозможных переходников и инструментов
  • Разобраться с микроконтроллерами, схемотехникой их подключения

Имея на вооружении научный метод я попробую освоить совершенно новые области, которыми никогда не занимался ранее. Приглашаю сделать это вместе со мной.

Восстановление микроскопа после как минимум десятка лет — под катом.
Подробности с фото и видео
Всего голосов 155: ↑152 и ↓3+149
Комментарии95

Электронный микроскоп в гараже. Токарная мастерская

Время на прочтение8 мин
Количество просмотров29K
Для тех, кто ещё не в курсе о проекте — почитать можно вот здесь.

Из вакуумщиков — в токари

Для восстановления и модернизации такого рода аппаратов (SEM, TEM и прочих вакуумных приборов) просто жизненно необходимо изготовление всяких нестандартных переходников, заглушек, держателей, приводов и манипуляторов. Конечно, если купить новый микроскоп от дилера, то они всё запустят, и будут проводить ежегодное обслуживание «под ключ». Но во-первых, цена этого удовольствия выходит из бюджета любого гаража, а во-вторых, это достаточно скучно.

Например, в случае с нашим микроскопом — в нём вообще нет ни одного стандартного вакуумного соединения: KF или CF. Поэтому любой вакуумный прибор из магазина подключить просто так не удастся. И единственно верным решением будет изготовление переходников на стандартные KF-фланцы.

С тем, как работает форвакуумный насос мы разобрались в прошлой статье. Теперь надо всё это подключить. Но даже если изготовить тройник, то понадобится ещё штуцер на форвакуумный насос, чтобы надеть вакуумный шланг. И самое главное: в колонне есть несколько отверстий, которые необходимо закрыть прежде, чем испытать удовольствие от полученного в ней вакуума.

Прикинем список того, что нужно сделать:

  1. Тройник для подключения двух форвакуумных входов к одному насосу
  2. Переходник на вакуумный насос
  3. Заглушка для датчика вторичных электронов (датчик кем-то снят на запчасти)
  4. Два переходника с проприетарного вакуумного разъёма JEOL на стандартный KF16 для подключения двух вакуумных датчиков на штатных местах (один оригинальный разбит, второй просто отклеился)
  5. Один переходник на KF25 для комбинированного датчика вакуума вблизи электронной пушки
  6. Пара штуцеров для компрессора
  7. Всякая мелочь

Много фоток и видео
Всего голосов 76: ↑74 и ↓2+72
Комментарии54

Электронный микроскоп в гараже. Откачиваем

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров26K
Для тех, кто ещё не в курсе о проекте — почитать можно вот здесь.



Пришло время использовать металлообрабатывающие станки по их прямому назначению и выточить всё необходимое для микроскопа, а затем попробовать подключить форвакуумный насос и посмотреть, что из этого получится.

Переходники для вакууметров


Датчик вакуума JEOL В этом микроскопе нет ни одного стандартного вакуумного порта. Два его родных манометрических преобразователя работали по методу термопары. В каждом из них было две вакуумных «лампы» с одинаковыми термопарами внутри. Одна лампа — запаяна, с «образцовым» вакуумом внутри, а вторая — открыта. Сравнивая значения их сопротивления можно было количественно измерить значение вакуума. Но дело в том, что один из них вообще разбили, а второй был вклеен неким клеем, который за годы разложился обратно в жидкое состояние. И, конечно, никакой измерительной электроники для этого не осталось. Поэтому логичным решением было установить более современные вакууметры. В идеале — активные, которые выдают сигнал в готовом для интерпретации виде.
(thanks to KU — Resonant Research for the photo)
Точим дальше!
Всего голосов 115: ↑113 и ↓2+111
Комментарии114

Электронный микроскоп в гараже. Чёрный вакуум

Время на прочтение7 мин
Количество просмотров24K
Если вы пропустили предыдущие выпуски — обязатально почитайте.

Форвакуум в микроскопе оказался сильно мотивирующим фактором для продолжения работы :) Ведь самое интересное — получить высокий вакуум и запускать электронно-лучевую систему!



Для этого потребуется оживить диффузионный (паромасляный) насос. В нём отсутствует одна важная часть — нагреватель, а в остальном он исправен, и в нём даже осталось некоторое количество родного вакуумного масла, называемого рабочей жидкостью.
Всего голосов 90: ↑89 и ↓1+88
Комментарии70

Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение

Время на прочтение5 мин
Количество просмотров20K
В самой первой статье я написал примерный план нашего сериала, заключительный пункт которого — работа с электроникой. Пора уже к нему переходить. Всё остальное подточено, утечки найдены и исправлены, вакуумная система начищена до зеркального блеска.

Из электроники для экспериментов у нас есть:

  • различные микроконтроллеры (популярные платы Arduino Nano, Due, менее популярный, но интересный Stellaris Launchpad; одноплатные компьютеры Raspberry Pi 3 B+ и Intel Edison)
  • АЦП (AD7715, ADS7816) и ЦАП (DAC8512)
  • Операционные усилители обычные и прецизионные, малошумящие
  • Остальные электронные компоненты по мелочи, а также «донорские» устройства (вышедшие из строя ATX блоки питания, ИБП, CD-ROM drives и т.п.)


Из больших, независимых устройств есть высоковольтный блок питания от микроскопа Amray примерно 1990 года выпуска, неизвестной работоспособности, со следами ремонта русскоговорящим человеком.

Надо разобраться, как им управлять, как подключить к нашей колонне и вообще, проверить, работает ли он. А то подозрительно там внутри всё подписано по-русски маркером :)
Фото, рассказ и видео
Всего голосов 56: ↑56 и ↓0+56
Комментарии47

Электронный микроскоп в гараже. Разгоняем электроны

Время на прочтение7 мин
Количество просмотров25K
Вакуум есть, катод вставлен, колонна прочищена, высокое напряжение подведено, и даже сделано управление с компьютера. Осталось только увидеть электронный луч и попробовать работу магнитных линз.

Но сперва расскажу про пластинку из неизвестного материала: когда я чистил колонну, то в шлюзовой камере, в укромном месте нашёл непонятные пластинки из блестящего, очень хрупкого вещества. Где стоял этот микроскоп до того, как попасть ко мне, и что на нём смотрели — неизвестно.



Было высказано предположение, что это кремний. Что это в итоге оказалось и какого прогресса удалось достичь в электронном микроскопе за три недели — под катом.
Антимония
Всего голосов 78: ↑77 и ↓1+76
Комментарии21

Как ловили электроны: таймлайн развития электронной микроскопии

Время на прочтение6 мин
Количество просмотров25K
Эта статья — продолжение серии материалов про электронный микроскоп в гараже. На всякий случай вот ссылка на первый выпуск.

Наш проект подошёл к тому этапу, когда нужен детектор (электронов, вторичных или упруго-отражённых). Но прежде расскажу вам, зачем именно этот детектор нужен и как учёные пришли к его современной конструкции.



Для наглядности сделаем это в виде таймлайна.
Читать дальше →
Всего голосов 49: ↑48 и ↓1+47
Комментарии12