Mikroskopowe laboratoria
Współczesne mikroskopy w małym stopniu przypominają urządzenia wynalezione ponad czterysta lat temu. Zmienił się sposób działania oraz budowa. Znacznie zwiększyły się też ich możliwości.
Pierwsze mikroskopy wykonali pod koniec XVI wieku Holendrzy, bracia Hans i Zachariasz Janssennowie. Były to urządzenia optyczne, w których do oświetlania obserwowanych obiektów wykorzystywano światło dzienne. Prawie sto lat później udoskonalił je i rozpoczął produkcję - wynalazca i przedsiębiorca w jednej osobie - Antonie van Leeuwenhoek, który jako pierwszy mógł obserwować żywe komórki.
Dzięki mikroskopom rozwinęła się biologia i powstały nowe dziedziny nauki - cytologia oraz mikrobiologia. Urządzenia te odegrały również ważną rolę w medycynie, pozwoliły między innymi na odkrycie bakterii gruźlicy. Przydały się także geologom i metalurgom.
Przez lata konstruktorzy udoskonalali budowę mikroskopów, jednak - chociaż dawały one coraz większe powiększenia - na obrazach nie pojawiały się nowe szczegóły. Dopiero w latach siedemdziesiątych XIX w., związany z firmą Zeiss fizyk, Ernst Abbe, wyjaśnił na czym polega problem. Obraz w mikroskopie optycznym tworzony jest przez interferencję fal świetlnych, uginających się na szczegółach budowy badanego przedmiotu, a najmniejsza odległość pomiędzy rozróżnialnymi detalami równa jest w przybliżeniu długości fali. Ponieważ ich długość to około pół mikrometra, nie można było zobaczyć szczegółów o znacznie mniejszych rozmiarach.
Rozwiązaniem problemu okazało się wykorzystanie elektronów i elektromagnetycznych soczewek. W roku 1931, w Berlinie, Ernst Ruska i Max Knoll skonstruowali pierwszy mikroskop elektronowy.
Dzięki postępowi w elektronice, w połowie lat sześćdziesiątych możliwa stała się realizacja pomysłu Manfreda von Ardenne'a z roku 1938 - i powstanie elektronowego mikroskopu skaningowego.
Kolejną, rewolucjonizującą mikroskopię, konstrukcją okazał się skaningowy mikroskop tunelowy, który umożliwił obserwację struktur złożonych z pojedynczych atomów. W roku 1986, jego konstruktorzy, naukowcy z laboratorium firmy IBM w Zurychu - Gerd Binnig oraz Heinrich Rohrer - dostali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Więcej możliwości
Mikroskopy elektronowe do tworzenia obrazu wykorzystują wiązkę elektronów, która emitowana jest z katody, przyspieszana w polu elektrycznym i formowana przez układ soczewek elektromagnetycznych. Rozdzielczość uzyskiwanego obrazu zależy od długości fali elektronów, która jest funkcją użytego napięcia przyspieszającego - im większe tym długość fali krótsza i lepsza rozdzielczość - oraz średnicy wiązki. Mikroskopy elektronowe dzieli się na transmisyjne i skaningowe.
W mikroskopie transmisyjnym (TEM) wiązka elektronów, przechodząc przez badany materiał, tworzy obraz jego struktury wewnętrznej. Do tego rodzaju badań przygotowuje się odpowiednio cienkie preparaty, żeby elektrony nie zostały całkowicie zaabsorbowane w materiale. Obszar prześwietlany przez elektrony ma bowiem grubość nie większą niż kilkaset nanometrów.
Obecnie zadanie odpowiedniego preparowania materiału ułatwił rozwój aparatury. Przykładem może być Focused Ion Beam - FIB, pozwalający na przygotowanie próbek z dokładnie wybranych miejsc, czy też materiałów trudnych do pocienienia innymi metodami, z tego względu, że składają się z faz o zróżnicowanych właściwościach. Preparat wycinany jest zogniskowaną wiązką jonów, a następnie jeszcze pocieniany, żeby wiązka elektronów z mikroskopu mogła go prześwietlić.
Współczesne mikroskopy transmisyjne osiągają zdolność rozdzielczą około 0,14 nm; najlepszą 0,05 nm udało się uzyskać w mikroskopie z korektorem aberracji sferycznej. Ze względu na różnicę w napięciu przyspieszającym, zdolność rozdzielcza mikroskopów transmisyjnych jest lepsza niż skaningowych (SEM). Znaczna poprawa rozdzielczości tych drugich nastąpiła wraz z zastosowaniem katody z emisją polową, w której emisja elektronów następuje z ostrza katody wolframowej o promieniu 100 A pod wpływem silnego pola elektrycznego, co pozwala zmniejszyć rozmiar źródła do 5 nm i zwiększyć jego jasność.
W mikroskopie skaningowym wiązka elektronów skanuje powierzchnię preparatu, a emitowane z niej elektrony wtórne lub odbite odwzorowują powierzchnię materiału. Na monitorze komputera ukazuje się powiększony obraz skanowanego obszaru, charakteryzujący się dużą głębią ostrości. Jest to bardzo ważne, na przykład, w badaniach złamanych materiałów, których powierzchnia ma wiele nierówności o różnej głębokości.
- Zaletą mikroskopów elektronowych skaningowych i transmisyjnych jest także możliwość badania składu chemicznego w mikroobszarach, dzięki dołączonym detektorom analizującym promieniowanie rentgenowskie EDS, emitowane na skutek zderzeń z elektronami wiązki padającej lub stratę energii elektronów EELS - tłumaczy dr hab. Małgorzata Lewandowska z Zakładu Projektowania Materiałów Wydziału Inżynierii Materiałowej PW.
Oprócz analizy składu chemicznego, możliwe jest obserwowanie przemian i procesów zachodzących w mikrostrukturze materiału w niskich lub wysokich temperaturach, czy też pod wpływem naprężeń mechanicznych. Obserwacje te są niezwykle istotne dla zrozumienia mechanizmów reakcji materiałów na przyłożone bodźce. Mikroskopy elektronowe dostarczają także informacji na temat struktury krystalicznej materiałów.
- Stały się one małymi, wielofunkcyjnymi laboratoriami badań strukturalnych - zauważa prof. Wiesław Świątnicki kierujący Zakładem Podstaw Inżynierii Materiałowej WIM. - Pozwalają analizować budowę fazową materiału, jego defekty, skład chemiczny i strukturę krystaliczną, aż do skali atomowej.
Atomowa precyzja
Skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego (STM), należącego do rodziny mikroskopów ze skanującą sondą (SPM), umożliwiło badanie powierzchni materiałów z atomową rozdzielczością.
Urządzenie to działa w ten sposób, że tuż nad powierzchnią próbki przesuwana jest metalowa sonda - igła. Przyłożone do niej niewielkie napięcie, po zbliżeniu ostrza do powierzchni próbki, sprawia, że zaczyna płynąć tzw. prąd tunelowy.
Wykresy z detektora prądów komputer przekształca w obraz powierzchni próbki.
Odkryto też, że jeżeli do igły przyłoży się większe napięcie niż przy skanowaniu, to może ona oderwać pojedynczy atom z powierzchni materiału i przełożyć go w inne miejsce. To doświadczenie z kolei przyczyniło się do narodzin nanotechnologii, która zajmuje się między innymi kształtowaniem właściwości materiałów poprzez manipulowanie pojedynczymi atomami.
- Możliwość bezpośredniego odwzorowania przez mikroskop tunelowy struktury atomowej materiałów wykorzystuje się przede wszystkim do charakterystyki powierzchni. Wiedza o jej właściwościach jest istotna, ponieważ materiały oddziałują z otoczeniem przez swoją powierzchnię - wyjaśnia prof. Świątnicki.
Odmianą STM jest mikroskop sił atomowych (AFM), który po raz pierwszy skonstruowali, w roku 1986, Gerd Binnig, Calvin F. Quate i Christoph Gerber.
Mikroskop sił atomowych służy do badania bardzo małych nierówności powierzchni - takich, które pod mikroskopem skaningowym wydają się gładkie. Jego zdolność rozdzielcza osiąga wymiar pojedynczego atomu. Jest też urządzeniem wielofunkcyjnym i można nim badać różnego typu oddziaływania materiału z igłą.
Igła skanująca przemieszcza się nad powierzchnią materiału albo pozostaje nieruchoma, a próbka przesuwana jest pod nią. Ostrze jest przymocowane do dźwigni, której odchylenie wskazuje, jakie są siły oddziaływania międzyatomowego pomiędzy atomami ostrza i badanej próbki. Pomiary mogą być prowadzone zarówno przy ciśnieniu atmosferycznym, jak i w próżni. System elektroniczny przekłada odchylenia dźwigienki na informację o topografii materiału lub jego właściwościach. Drugą metodą badania jest opukiwanie próbki przez igłę, które służy do oceny wielkości sił między nimi oraz lepkości i sprężystości materiału.
"Życie" wewnętrzne materiału
- Mikroskopy elektronowe odegrały wielką rolę w rozwoju inżynierii materiałowej oraz nauki o materiałach, gdyż dostarczyły zupełnie nowych informacji o budowie materiałów i ich defektach - uważa dr Lewandowska. - Domyślano się na przykład, że istnieją bardzo małe cząstki powodujące wzrost wytrzymałości materiałów, ale ich zobaczenia nie było możliwe. Kiedy dostępne były wyłącznie mikroskopy świetlne, można było tylko podejrzewać istnienie dyslokacji. Dopiero skonstruowanie mikroskopu elektronowego pozwoliło na bezpośrednią obserwację tych defektów.
Jednakże przyrządy te nie tylko przyczyniły się do potwierdzenia teorii, ale również do ich rozwoju. Naukowcy, znając budowę wewnętrzną materiałów, mogli wykorzystać tę wiedzę do świadomego kształtowania ich właściwości.
- Trudno sobie wyobrazić projektowanie i optymalizację materiałów czy też rozwój nanotechnologii, bez urządzeń pozwalających kontrolować ich strukturę wewnętrzną - stwierdza prof. Świątnicki.
Rozwijają się możliwości analityczne mikroskopów elektronowych, stale dodawane są nowe urządzenia wzbogacające potencjał badawczy przyrządów i poprawę rozdzielczości. Celem jest uzyskiwanie za pomocą jednego urządzenia maksimum informacji, które są ważne nie tylko w dziedzinie nanotechnologii i inżynierii materiałowej, ale także w medycynie, biologii lub fizyce.
Konstruktorzy i producenci stale pracują nad polepszaniem zdolności rozdzielczej mikroskopów oraz usunięciem niedoskonałości używanego promieniowania i soczewek, aby wyeliminować aberrację sferyczną. Dąży się też do zmniejszania rozmiarów sond elektronów, co pozwoli na dokładniejsze określenie składu chemicznego i struktury krystalicznej w nanoobszarach materiałów. Ponadto doskonalone są urządzenia analityczne dołączane do mikroskopów oraz te, które ułatwiają preparowanie próbek.
Tekst i zdjęcia: ANNA ABRAMCZYK
Powrót do strony głównej