Skenirajući mikroskopi – otvoren prozor u nanosvet

Autor: Božidar Nikolić

Preuzeto iz: brošura Fizika Uživo, Fizički fakultet u Beogradu

Otkriće skenirajućih mikroskopa donelo je neslućene mogućnosti za proučavanje mikrosveta. Osnovni princip na kome rade ovi mikroskopi može da se dočara sledećom analogijom: zamislite da ste u nepoznatoj, mračnoj, sobi i da treba da ispitate šta se u njoj nalazi. To ćete da uradite uz pomoć čula dodira. Skenirajući mikroskopi se upravo koriste da bismo saznali nešto o predmetima koje ne možemo da vidimo običnim mikroskopima. Oni imaju sonde koje lagano dodiruju uzorak koji ispitujemo i iz kretanja sonde saznajemo kako izgleda uzorak. Pored toga neke sonde se koriste za hvatanje i pomeranje nezamislivo malih predmeta, čije su dimenzije nekoliko nanometara. Ovo omogućava sklapanje vrlo malih uređaja koji mogu da imaju široku primenu u fizici, medicini, tehnologiji…

Potreba za novim mikroskopima

Razvoj moderne tehnologuje i potreba za sve manjim i manjm napravama zahteva da vidimo sve manje i manje objekte od kojih treba da napravimo neki uređaj. Da bismo nešto napravili i sastavili treba dobro da vidimo sastavne delove. Korišćenje standardnih mikroskopa ima svoje ograničenje. Teorijska granica za veličinu tela koje možemo da gledamo uz pomoć običnog mikroskopa je talasna dužina svetlosti. Recimo da je ona oko 500 nm, odnosno 0.5×10-6 m (pola mikrona). Uređaj koji bi se sastojao od nekoliko molekula mogao bi da bude veličine manje od nanometra. To je oko deset hiljada puta manje od veličine tela koje možemo da vidimo pod mikroskopom. Da bi ovaj odnos veličina bio očigledniji, to je kao da imamo uređaj kojim kao najsitniji delić vidimo veliku planinu, a nama treba uređaj kojim možemo da vidimo običan kamičak! Pravu revoluciju u oblasti novih mikroskopa je unela konstrukcija skenirajućih mikroskopa. Legenda kaže da je jedan od konstruktora, Gerd Binig, sedeo u biblioteci i čitao. Misli su mu odlutale i razmišljao je o nemogućnosti da vidimo mnogo sitne objekte. Tako razmišljajući pogled mu se zaustavio na kolegi koje je sedeo nekoliko redova dalje. Kolega je bio slabovid i čitao je knjigu koja je bila odštampana Brajevom azbukom. Brajeva azbuka je sistem znakova koji se mogu opipati, tako da onaj ko ne vidi može da čita knjige povlačenjem prstiju preko stranica. Tog trenutka je Binigu postalo jasno u kom smeru treba da razmišlja da bi napravio mikroskop nove generacije.

STM

Ideja skenirajućih mikroskopa je vrlo slična ideji čitanja knjige na Brajevoj azbuci. Mikroskop ima sondu, odnosno vrlo tanku iglu, koja se vuče malo iznad površine koja se posmatra. Ako je površina provodna onda se može napraviti takav napon između igle i površine, da elektroni preskoče sa igle na površinu. Ovo preskakanje elektrona, ili tuneliranje kroz sredinu u kojoj se nalaze igla i površina, zapravo predstavlja struju koja može da se meri. Lepota ove struje je u tome što struja tunelirajućih elektrona eksponencijalno opada sa rastojanjem između igle i površine. Eksponencijalna funkcija vrlo brzo opada, tako da vrlo mala promena rastojanja daje veliku promenu u struji! Prelaskom igle preko i najmanje neravnine menja se rastojanje koje treba da preskoče elektroni a promenom rastojanja menja se i struja, a promena struje može da se meri. Ovo je krajnje pojednostavljen princip na kome radi prvi skenirajući mikroskop – skenirajući tunelni mikroskop (Scanning Tunneling Microscope-STM). Jednostavna ideja je ipak bila praćena velikim teškoćama. Osnovni problem je bio kako neverovatno male promene u jačini struje registrovati i iz njih izvući informaciju o izgledu površine. Informacije o površini dobijene merenjem vrlo malih struja daje izuzetno komplikovani računarski sistem i odgovarajući programi. Ispostavilo se da je upravo izvlačenje informacija o površini iz merenih vrednosti bio najteži zadatak za konstruktore. Drugi, i mnogo češći, način na koji radi sonda STM-a je da se tokom laganog prelaska sonde preko uzorka rastojanje drži nepromenjenim. Svaka neravnina se onda ogleda u kretanju sonde gore-dole. Ovo kretanje se registruje i kao rezultat se dobija trodimenzionalna slika površine (princip`rada je sličan principu po kome radi gramofonska igla). Veličina igle je takva da se na njenom vrhu nalazi samo jedan atom! Kretanjem ovako tanke igle tik iznad površine omogućava da se primete i najmanje neravnine. Impresivno je da se na dobrim slikama dobijenim STM-om mogu videti atomi! Strogo gledano STM od atoma vidi samo njegov elektronski oblak. Vide se vrlo oštri elektronski oblaci koji odgovaraju upravo presečenim vezama.

Činjenica da se STM-om mogu videti i najmanje neravnine otvorila je nove mogućnosti. Naime, ako se na vrlo ravnu površ nanese neki molekul, ili čestica koja se sastoji od malog broja atoma, on se može videti STM-om kao neravnina! Dakle, ne samo da možemo da vidimo neravnine malih dimenzija nego možemo da vidimo i nešto veće atome koji su se vezali na poznatu površinu. Za ovakva merenja potrebno je da površina bude izuzetno ravna i dobro pripremnjena. Neslućene mogućnosti ovakvih mikroskopa su se pojavile na videlu kada je shvaćeno da igla, ili igle koje se koriste kao sonde za ispitivanje površine mogu da se koriste i za manipulaciju, ili pokretanje atoma koje se vezuju za površinu. Na ovaj način mogu da se dobijaju željene strukture ređanjem pojedinačnih atoma! Na slici su prikazani atomi gvožđa na bakarnoj površini. Atomi su poređani tako da obrazuju gotovo savršene geometrijske figure.

Atomi gvožđa na bakrenoj površini

AFM

I pored nesumnjivih mogućnosti STM-a ipak postoje i nedostaci. Problem sa STM-ovima je u tome što se njima daju ispitivati samo provodne površine. Ovaj nedostatak je prevaziđen konstrukcijom mikroskopa atomske sile (Atomic Force Microscope-AFM), koji bukvalno radi na principu čitanja Brajevog pisma. Tanka sonda, ali ne više tako tanka kao kod STM-a, se povlači po površini koja se skenira. Sonda je zalepljena za pločicu koja odbija svetlost. Laserom se osvetljava pločica i svako pomeranje pločice gore-dole ili levo-desno se registruje promenom putanje odbijenog laserskog zraka. Sonde moraju biti deblje nego za STM zbog toga što moraju biti tvrđe, kako se ne bi polomile tokom merenja. Deblje sonde smanjuju rezoluciju merenja, ali je zato AFM primenljiv za merenje bilo kakve površine. Ono što geladano običnim mikroskopom izgleda kao ravna i glatka površina, zapravo može da izgleda kao oblast kanjona, brda i kratera na nekoj planeti. Gledajući uz pomoć AFM-a ova površina izgleda kao predeo na Mesecu ili Marsu. Sa druge strane dobro pripremnjena površina zlata se vidi kao gotovo savršena šestougaona rešetka.

Zaključak

Konstruisanje skenirajućh mikroskopa različitih vrsta zaista nam je omogućilo da vidimo stvari koje do tada nismo mogli. Da bi se napravili uređaji vrlo malih dimenzija potrebno je dobro videti sastavne delove. Skenirajući mikroskopi su omogućili i manipulaciju vrlo malim delovima, što je omogućilo spajanje izuzetno sitnih uređaja. Zbog svega ovoga nije čudno što su konstruktori prvih skenirajućih mikroskopa, Binig i Rorer, bili nagrađeni Nobelovom nagradom za fiziku 1986. godine. Pored toga, skenirajući mikroskopi su nam otkrili jedan sasvim novi svet, svet koji je bio skriven negde između sveta elementarnih čestica i malih atoma sa jedne strane, i mikrosveta koji možemo da posmatramo pod mikroskopom, sa druge. Otkriveno je izobilje novih efekata kao i novih osobina poznatih materijala. Intrumenti za ispitivanje koji se razvijaju postaju sve složeniji i bolji. Otkrića u nanosvetu samo potvrđuju svu lepotu i raskoš prirode oko nas. Ona dokazuju da je podjednako uzbudljivo u svetu najsitnijih, elementarnih čestica, kao i u svetu najvećih, nepojmljivo velikih sistema, galaksijama, i kosmosu u celini, ali i u svakom svetu između ovih krajnjih granica našeg saznanja.

Hajnrih Rorer je rođen je 6. 6. 1933. u Buhsu, Sent Galenu (Švajcarska). Godine 1963. prelazi u IBM laboratoriju u Cirihu. Gerd Binig, rođen 20.7. 1947. u Frankfurtu (Nemačka), 1978 prelazi u IBM laboratoriju u Cirihu (Švajcarska). Tu se upoznaje sa Hajnrihom Rorerom i počinju zajednički rad. Od 1990 član Nadzornog odbora Dajmler Benca (Daimler Benz).
Prvi dobitnici nemačke nagrade za fiziku, nagrade Oto Klung, Hjulit Pakard nagrade, nagrade kralja Fejzala i konačno Nobelove nagrade za fiziku 1986.
Hronologija događaja:
1981. Konstruisan prvi STM u IBM-Cirih.
1982. Prva atomska rezolucija demonstrirana na površini silicijuma (Binig)
1984. Konstruisan prvi Near-field optički mikroskop.
1985. Binig, Gerber i Quate razvili prvi AFM.
1986. Binig i Rorer podelili polovinu Nobelove nagrade za fiziku, za pronalazak STM-a.

Literatura
Nobel Lectures, Physics 1981-1990, Editor-in-Charge Tore Frängsmyr, Editor Gösta Ekspång, World Scientific Publishing Co., Singapore, 1993.