Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 27 (vyšlo 5. července, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Pikoškály aneb jak uvidět atom

David Břeň, Petr Kulhánek

Jak malé objekty je možné ještě vidět? Mnoho lidí si možná myslí, že k tomu, abychom byli schopní rozeznat drobné detaily, pozorovat titěrné objekty, vidět například elementární částice, stačí mít pouze dostatečně kvalitní a silnou lupu. Bohužel, rozeznání malých předmětů a objektů začínají pod určitou hranicí bránit principiální problémy, a těmi jsou pravidla kvantové mechaniky.

Pokud chceme přímo pozorovat objekt určité velikosti, musíme si na něj "posvítit" vlnou ať již elektromagnetickou, akustickou nebo "částicovou" o vlnové délce srovnatelné s velikostí objektu. Je-li vlna příliš dlouhá, předmět budeme pozorovat rozmazaně. Potřebné krátké vlny mají ale velkou energii a hybnost a pozorovaný objekt značně naruší nebo dokonce odrazí z místa pozorování.

Kromě přímých metod pozorování, ke kterým patří optické a elektronové mikroskopy, existují i nepřímé metody, například řádkovací tunelový mikroskop a mikroskop atomárních sil.

Optický mikroskop - zařízení ke sledování drobných předmětů v optickém oboru za pomoci soustavy čoček. Vynalezen byl v roce 1590 H. Janssenem a jeho synem Z. Janssenem v Holandsku.

Elektronový mikroskop - mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností elektronu. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 E. Ruskem.

Řádkovací tunelový mikroskop - STM (Scanning Tunnelling Microscope). Zařízení mapuje povrch pomocí pohybu vodivého hrotu nad vodivým povrchem sledovaného materiálu. Množství elektronů, které tuneluje z materiálu do hrotu je exponenciálně závislé na vzdálenosti a pomocí měřeného proudu lze vykreslit mapu povrchu. STM mikroskop byl vynalezen v roce 1981 G. Binnigem a H. Rohrerem.

Mikroskop atomárních sil - AFM (Atomic Force Microscope). Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. AFM mikroskop není omezen na vodivé materiály jako STM mikroskop. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 G. Binnigem, C. Quatem a C. Gerberem.

Optický mikroskop

Optická mikroskopie znamenala po dlouhá staletí jedinou možnost jak zobrazit malé, okem neviditelné předměty. Připomeňme si v krátkosti historii vynálezu mikroskopu:

1590

Holandský výrobce brýlí Hans Jannsen se svým synem Zachariasem Jannsenem údajně poprvé zkonstruovali mikroskop složený z více čoček. O vynálezu existuje pouze záznam z pozdější doby v dílech spisovatelů Pierre Borela (1620-1671) a Willema Boreela (1591-1668).

1609

Galileo Galiei (1564-1642) zkonstruoval první mikroskop složený ze spojky a rozptylky, nazval ho occhiolino.

1612

Galileo Galiei předvádí své occhiolino polskému králi Zikmundovi III.

1619 Cornelius Drebbel (1572-1633) předvádí v Londýně mikroskop založený na dvou spojných čočkách.
1625 Giovanni Faber z Bambergu (1574-1629) používá poprvé slovo mikroskop odvozené od slova teleskop.
1665 Robert Hook (1635-1703) vydává knihu Micrographia s velkým množstvím kreseb mikrosvěta. Objevuje buňky v kůře korkovníku.
1674 Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) vynalézá mikroskop s jednou jedinou čočkou. Vyrobil více jak 500 čoček a jeho mikroskop používal Christiaan Huygens.

Elektronový mikroskop

Velký přelom v pozorování světa malých rozměrů znamenalo postavení prvního elektronového mikroskopu v roce 1931 Ernstem Ruskou (1906-1988) a Maxem Knollem (1897-1969). Elektrony použité namísto světla mají kratší vlnovou délku než fotony a to s sebou přináší větší rozlišovací schopnost. Zatímco optické mikroskopy mají rozlišení kolem 0.2 μm, elektronový mikroskop může mít rozlišení až 0.1 nm.

Elektronový svazek vzniká působením vysokého napětí a při pohybu z katody je fokusován magnetickými čočkami podobně jako světelný paprsek klasickými čočkami. Existují dva typy elektronového mikroskopu: v TEM mikroskopu (Transmission Electron Microscope) elektrony prochází vzorkem, v SEM mikroskopu (Scanning Electron Microscope) jsou detekovány sekundární elektrony emitované z povrchu materiálu. Vlastní detekce probíhá pomocí senzorů citlivých na elektrony a signál se převádí na obrazovku počítače. Výsledný snímek se nazývá elektronový mikrograf (EM - Electron Micrograph).

Ernst Ruska obdržel za konstrukci elektronového mikroskopu Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1986.

Ebola virus v elektronovém mikroskopu

Virus Ebola, původce horečnatého onemocnění
zobrazený pomocí elektronového mikroskopu. 
(Center for Disease Control and Prevention)

Řádkovací tunelový mikroskop (STM - Scanning Tunnelling Microscope)

Dalším významným pokrokem při zobrazování objektů mikrosvěta byla konstrukce řádkovacího tunelového mikroskopu. Jeho princip je relativně jednoduchý. Vodivý hrot se pohybuje nad vodivým vzorkem a vnějším obvodem je snímán procházející proud. Počet elektronů procházející mezi vzorkem a hrotem je dán kvantovým tunelovým jevem a exponenciálně roste se zmenšující se vzdáleností od povrchu. Drobné nerovnosti povrchu mají proto za následek enormní nárůst proudu v elektrickém obvodu. Signál je počítačově zpracován do výsledného obrázku povrchu materiálu.

STM mikroskop

Řádkovací tunelový mikroskop byl vyvinut v IBM v Zurichu Gerdem Binnigem (1947) a Heinrichem Rohrerem (1933) v roce 1981. Za tento objev oba získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1986 spolu s objevitelem elektronového mikroskopu Ernstem Ruskem. Pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu je možné identifikovat jednotlivé atomy.

Povrch železa zobrazený STM mikroskopem

Povrch železa s nečistotami chrómu (dvě vyvýšeniny). NASA 2004.

Mikroskop atomárních sil (AFM - Atomic Force Microscope)

Další pokrok v mikroskopii byl dosažen v roce 1986. Gerd Binnig a Cal Quate ze Stanfordské university spolu s Christopherem Gerberem z IBM zkonstruovali nový typ mikroskopu. Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. Mikroskop AFM není omezen na vodivé materiály jako mikroskop STM.

AFM mikroskop

Nevýhodou AFM mikroskopu je malý rozměr skenovaných vzorků, jen 100 μm ×100 μm. V roce 1994 byla zkonstruována nová varianta tohoto mikroskopu, tzv. FM-AFM mikroskop (Frequency Modulated AFM). Pružné raménko je rozkmitáno harmonickou silou na vlastní frekvenci raménka a jeho vyšších harmonických frekvencích. Měřen je fázový posuv kmitání způsobený atomárními silami. Právě touto technologií bylo v roce 2004 dosaženo zatím největšího rozlišení: 77 pikometrů (77×10−12 m). V tomto rozlišení je již možné rozeznat struktury uvnitř jednotlivých atomů! Experiment provedli Jochen Mannhart, Thilo Kopp a Franz J. Giessibl na německé universitě v Augsburgu. Mikroskopie se tak dostala poprvé na hranici pikometrové oblasti.

Povrch křemíku zobrazený AFM mikroskopem

První AFM snímek povrchu křemíku s rozlišením na atomární úrovni. Velikost oblasti 18×18 nm2. Barvy označují výšku nad povrchem. Nahoře je patrná řádka atomů. Science 267, 68 (1995)

Povrch wolframu zobrazený FM-AFM mikroskopem  Povrch wolframu zobrazený STM mikroskopem

FM-AFM snímek s rozlišením 77 pm. Viditelné jsou struktury uvnitř atomů wolframu. Celá oblast zaujímá plochu 500×500 pm2.  Napravo je pro srovnání tatáž oblast skenovaná mikroskopem STM, na snímku jsou vidět jednotlivé atomy wolframu. Science 2004.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage