Учебное пособие для иностранных студентов технических специальностей Харьков нту «хпи» 2019 2
жүктеу/скачать 0,87 Mb. Pdf көрінісі
|
Book 2019 Nemertsova Nauchnyy stil
| Как увидеть наномир?
В последнее время в разных изданиях все чаще встречается слово «нанотехнологии», но реальный смысл этого термина понятен далеко не всем. Приставка «нано» (по-гречески – «карлик») означает «одна мил- лиардная доля». То есть, один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра или десять в минус девятой степени метра. Чтобы оценить мас- штаб, представьте себе земной шар и копеечную монету – примерно так соотносятся между собой метр и нанометр. Миллиметрами (тысячными долями метра) размечена школьная линейка, микрометры (они же микроны, миллионные доли метра) – раз- мер того, что видно в обычный хороший микроскоп (клетки, микробы и их органы). Сотнями нанометров исчисляются размеры вирусов, десят- ками – крупные белковые молекулы, с недавних пор – транзисторы в 79 компьютерных процессорах. Простые молекулы измеряются единицами нанометров, атомы – десятыми долями нанометров. В наномасштабе принято измерять то, что умещается по размерам в диапазон от атомов до вирусов (0,1 – 100 нм). Почему диапазон нано- размеров вызывает повышенный интерес ученых и технологов? Дело в том, что оперировать с предметами таких размеров исследователи научились совсем недавно. А ведь именно на этом уровне наблюдаются многие процессы фундаментальной важности – от химических реакций до квантовых эффектов. Знание этих процессов позволит создавать наноразмерные структуры, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Способы создания таких наноразмерных структур как раз и назы- ваются нанотехнологиями. Вообще говоря, нанотехнологии не являются самостоятельным разделом науки. Скорее, это именно комплекс при- кладных технологий, фундаментальные основы которых изучаются в таких дисциплинах, как коллоидная химия, физика поверхности, кван- товая механика, молекулярная биология и т.п. Возможности обычного оптического микроскопа (порядка поло- вины длины волны света) недостаточно для предметов наномасштаба. Для того, чтобы увидеть наномир, пришлось разработать другие мето- ды. Дифракционный предел для видимого света позволяет достичь при- мерно тысячекратного увеличения – это соответствует разрешению по- рядка нескольких сотен нанометров. Объекты размером в десятки, а тем более в единицы нанометров в такой микроскоп рассмотреть невозмож- но. Поэтому первым шагом к наномиру стал электронный микроскоп. По своему принципу такой микроскоп напоминает обычный, но вместо света здесь работают электроны, которые фокусируются маг- нитными линзами. Пучок электронов, проходя через тонкий образец, взаимодействует с ним, а затем попадает на люминесцентный экран, де- лающий картину видимой для человеческого глаза. Если не просвечивать образец, а сканировать его поверхность сфокусированным в очень маленькое пятно (несколько нанометров) пучком электронов, то эти электроны не рассеиваются на атомах образ- ца. Более того, они порождают вторичные электроны, рентгеновское и 80 видимое излучение. На регистрации этих данных основана работа ска- нирующего электронного микроскопа. В отличие от просвечивающего электронного микроскопа, с его помощью можно исследовать «тол- стые» образцы. С помощью сканирующего микроскопа можно изучать химический состав образца, его рельеф и структуру. Кроме электронного и сканирующего микроскопов существует еще один вид микроскопа – сканирующий туннельный микроскоп. Он позволяет рассматривать отдельные атомы, при этом использует кван- товый эффект туннелирования. Такой микроскоп даже не рассматрива- ет, а скорее, «ощупывает» исследуемую поверхность. Не в буквальном смысле, конечно: очень тонкая игла-зонд с острием толщиной в один атом перемещается над поверхностью объекта на расстоянии порядка одного нанометра. При этом, согласно законам квантовой механики, электроны преодолевают вакуумный барьер между объектом и иглой – туннелируют, а между зондом и образцом начинает течь ток. Таким об- разом, можно исследовать рельеф объекта практически «на ощупь». Создание сканирующего тоннельного микроскопа стало значи- тельным событием в освоении наномира. В 1986 году сотрудником Ис- следовательского центра компании IBM в Цюрихе Герду Биннигу и Генриху Рореру за это достижение была присуждена Нобелевская премия. Недавно появился еще один новейший микроскоп – магниторезо- нансный силовой микроскоп, который используется в томографии. Впервые стало возможным наблюдать за биологическими процессами в реальном времени, не нарушая их естественного состояния. С помощью этого микроскопа стало возможным исследовать живые вирусы. При сканировании биологического образца ученые смогли достичь про- странственного разрешения порядка 4 нм. Для исследования диэлектриков разработчиками микроскопов был предложен другой метод, названный сканирующей атомно-силовой микроскопией. Принцип его работы заключается в том, что на малых расстояниях между зондом и образцом действует сила, величина и направление которой зависят от зазора. Эту силу измеряют, закрепляя иглу зонда на упругом консольном подвесе и определяя ее отклонение. С помощью атомно-силовой микроскопии можно изучать любые по- 81 верхности – независимо от того, являются ли они проводниками или ди- электриками. Одно из важных преимуществ атомно-силового микро- скопа – возможность его применения при исследованиях биологических образцов: он не требует вакуума или тонких слоев (в отличие от элек- тронного микроскопа). Такой микроскоп также позволяет изучать не только рельеф поверхности, но и взаимодействие между конкретными молекулярными объектами. Таким образом, для проникновения в тайны наномира сегодня применяются разные варианты сканирующей зондовой микроскопии. Это очень мощный исследовательский инструмент, который позволяет изучать различные свойства поверхностей, а не только их рельеф, раз- личные мельчайшие биологические образцы, ранее недоступные для изучения. А магнитно-резонансная томография буквально произвела революцию в современной медицине. жүктеу/скачать 0,87 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|