Elektronų mikroskopai: nuo bakterijos iki asfalto

Medžiagų mokslas, arba medžiagotyra, suteikia pagrindą beveik visiems naujiems technikos išradimams. Nesuprantant pagrindinių medžiagų savybių neįmanoma kontroliuoti medžiagose vykstančių fizikinių reiškinių. Elektroninis mikroskopas ir skenuojantis tunelinis mikroskopas, už kurių sukūrimą 1986-aisias paskirta Nobelio fizikos premija, yra prietaisai, sukėlę medžiagotyros revoliuciją.

Šiuolaikinės technologijos, medžiagotyra ir elektronų mikroskopai

Bet kurioje technologijų srityje kelias nuo produkto idėjos iki parduotuvės lentynos – ilgas. Yra išskiriamas kelios produkto vystymo stadijos: idėjos iškėlimas, galimos produkto rinkos analizė, prototipo kūrimas ir testavimas, verslo analizė, pirminis prototipo išbandymas rinkoje, didmeninės gamybos technologijos išvystymas, komercializacija, marketingas. Bent jau taip procesas analizuojamas kai kuriuose verslo modeliuose.

Mokslininkai žvelgia – ir turbūt turi žvelgti – į bet kokio produkto sukūrimą ir įdiegimą į rinką iš kitos pusės. Jie privalo tyrinėti reiškinius net jei komercinio produkto sukūrimas numanomas tik miglotai arba visiškai nėra aiškus. Fizikos, chemijos ir kitų mokslų istorijoje pilna pavyzdžių, kai reiškinys buvo atrastas visiškai atsitiktinai, tyrinėjant visai ką kita, ir tas naujasis atradimas atverdavo kelius visiškai naujiems prietaisams ir netikėtiems technologiniams sprendimams.

Žiūrint ir iš vienos, ir iš kitos pusės, bet kokios naujos technologijos sukūrimo pradžioje moksliniai tyrimai yra viso ko pagrindas. Praktiškai naudingi biologiniai, cheminiai ir fizikiniai procesai vyksta ne vakuume, o medžiagose, tad medžiagų tyrimas – arba medžiagotyra – yra itin svarbi mokslo sritis, suteikianti pamatą bet kuriems naujiems išradimams. Suprasti medžiagas, kontroliuoti jų savybes, tas savybes koreguoti arba net visiškai pakeisti – tokie yra medžiagotyros uždaviniai. Žiūrint iš praktinio taško, galėtume teigti, kad medžiagotyra yra bet kokių naujų technologinių išradimų motina.

Tyrinėjant medžiagas be galo svarbų vaidmenį vaidina elektroninis mikroskopas ir skenuojantis tunelinis mikroskopas (pavadinkime juos bendru vardu – elektronų mikroskopais), už kurių sukūrimą 1986-aisiais buvo paskirta Nobelio fizikos premija trims mokslininkams: Ernstui Ruskai (už darbus elektronų optikoje ir elektroninio mikroskopo sukūrimą), bei Gerdui Binnigui ir Heinrichui Rohreriui (už skenuojančio tunelinio mikroskopo sukūrimą). Šiuos prietaisus surasime visų didesnių puslaidininkinių technologijų, farmacijos, biochemijos ir kitų sričių kompanijų mokslinių tyrimų (R&D) skyriuose.

Žmonijos siekis nuo gilios senovės – pamatyti atomus

Nuo gilios senovės žmonės siekė suprasti, iš ko sudarytas mus supantis pasaulis. Vienas iš daugybės konkuruojančių požiūrių, atsiradęs senovės Graikijoje ir Indijoje, buvo atomizmas. Jis teigė, kad yra mažiausia nedaloma materijos dalelė, iš kurios sudaryti visi kiti kūnai. Graikijoje ta dalelė buvo pavadinta atomu – nedalomu, nematomu.

Žinioms gausėjant atomizmo teorija keitėsi, transformavosi. Tik XIX a. buvo galutiniai parodyta, kad ši idėja yra iš esmės teisinga. Anglų mokslininko Johno Daltono ir kitų darbai parodė, kad skirtingose medžiagose – tarkim, kobalto okside – skirtingi atomai susijungia ne bet kokiu santykiu, o griežtai tiksliomis proporcijomis. Kitaip tariant - skirtinguose kobalto oksiduose kobalto ir deguonies atomų santykis yra fiksuotas. Šis atradimas įtvirtino atominę hipotezę.

Nors graikų idėja, kad medžiagos sudarytos iš atomų, buvo teisinga, pasirodė, kad atomas nėra nedalomas. Jis sudarytas iš branduolių ir elektronų, kuriuos galima atskirti. O kaipgi su kita žodžio „atomas“ reikšme – nematomas? Ar atomai iš tiesų nematomi?

Daugybė gudrių mokslinių eksperimentų, o ypač Naujosios Zelandijos fiziko Ernesto Rutherfordo bandymai, leido įsivaizduoti, kaip „atrodo“ atomai. Bet ar įmanoma atomus pamatyti daug labiau tiesiogiai, tai yra žiūrėti į medžiagą ir matyti ją sudarančius mažučius taškelius – atomus?

XIX amžiuje buvo suprasta, jog tą būtų labai sunku pasiekti naudojant optinius mikroskopus. Tą draudžia banginė optika, teigianti, jog neįmanoma optiniais mikroskopai pasiekti didesnės skiriamosios gebos, nei matomos šviesos bangos ilgis. Atomai yra kelis tūkstančius kartų mažesni už šį bangos ilgį, todėl matomai šviesai – per maži.

Elektroninis mikroskopas ir skenuojantis tunelinis mikroskopas

Ilgainiui mokslininkai suprato, jog tai, ko negalima pasiekti naudojant matomą šviesą, galima padaryti naudojant elektronus. Tad jau nuo XX a. trečiojo dešimtmečio daug mokslininkų siekė sukurti optinio mikroskopo elektroninį variantą.

1926-aisias pirmąjį elektromagnetinį lęšį sukūrė vokiečių fizikas Hansas Buschas. Tačiau lęšis – dar ne mikroskopas. Didžiausią indėlį į elektronų mikroskopo sukūrimą įnešė jaunas Vokietijos mokslininkas, Berlyno Techniškojo Universiteto doktorantas Ernstas Ruska. Pirmąjį prototipą jis sukonstravo 1931-aisias, būdamas vos 25 metų amžiaus. Praėjus dvejiems metams E. Ruska patobulino mikroskopą tiek, kad naujojo mikroskopo didinimas buvo geresnis, nei tuometinių optinių mikroskopų. Taip gimė elektroninis mikroskopas (TEM – transmission electron microscope). Baigęs doktorantūrą E. Ruska ėmė dirbti „Siemens“ kompanijoje, kurioje prisidėjo gaminant patį pirmąjį komercinį mikroskopą.

Tiesa, elektroniniu mikroskopu pamatyti atomus buvo irgi nelengva. Šitai buvo pasiekta tik praėjus virš penkių dešimtmečių, kai buvo gerokai patobulinta elektroninio mikroskopo optinė sistema ir ją valdančios kompiuterinės programos.

Skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM), sukurtas IBM Ciuricho padalinyje vokiečių fiziko Heinricho Rohrerio ir šveicarų fiziko Gerdo Binnigo, naudoja visiškai kitokius fizikinius principus. Čia mikroskopo galvutė skenuoja laidžios medžiagos paviršių tarsi adatėlė vinilinę plokštelę. Šiuo mikroskopu galima pasiekti itin didelę skiriamąją gebą iš esmės dėl kvantmechaninės matavimo proceso prigimties. Šiame prietaise naudojama taip vadinama tunelinė srovė tarp tiriamosios medžiagos ir mikroskopo galvutės. Ši srovė labai stipriai – eksponentiškai – priklauso nuo atstumo tarp laidininkų, tad visos srovės liūto dalis praktiškai teka tarp kelių kraštinių atomų. Naudojant šį mikroskopą galima išties matyti atskirus atomus. Gaila, kad negalime nusikelti į senovės Graikiją, susitikti su Demokritu, vienu iš atomizmo kūrėjų, ir jam pasakyti: „Tu buvai teisus, štai jie, atomai!“.

1986-aisiais metais Nobelio komitetas įvertino šiuos du pasiekimus suteikdamas Nobelio premiją visiems trims mokslininkams. Nors G. Binnigas ir H. Rohreris premijos sulaukė praėjus penkeriems metams po STM sukūrimo, E. Ruska jos laukė daugiau nei penkiasdešimt metų. Tai bene rekordas per visą Nobelio premijų istoriją. Kai jam buvo įteikta ši premija, jis buvo daugiau nei trigubai vyresnis, nei tuomet, kai atliko savo svarbiausią gyvenimo darbą!

Šiuolaikiniai mikroskopai

Šiuolaikiniai elektroniniai mikroskopai – patys įvairiausi. Jie skiriasi savo optinėmis sistemomis, signalo registracijos būdu, ir t.t., ir pan. Yra taip pat labai daug specializuotų mikroskopų – pvz., elektronų pluoštelio energija turi būti gerokai mažesnė tyrinėjant taip vadinamas „minkštąsias medžiagas“, pvz., polimerus ar biologines sistemas, todėl tokiems tyrimams gaminami specialūs mikroskopai.

Modernūs mikroskopai gali kainuoti iki kelių milijonų dolerių. Jų išlaikymui reikia ne tik finansinių išteklių, bet ir labai kvalifikuotų inžinierių. Šiuo metu elektroniniai mikroskopai vystosi labai sparčiai. Sunku net išvardinti visas sritis, kuriose naudojami šie prietaisai: puslaidininkių pramonėje, metalurgijoje, sunkiojoje ir automobilių pramonėje, asfalto ir statybinių medžiagų laboratorijose, biochemijos laboratorijose, ir t.t., ir pan. Elektroniniai mikroskopai yra visur.

Skenuojančių tunelinių mikroskopų pritaikymo sritis yra gal tik šiek tiek siauresnė, bet jie taipogi dažnai naudojami ne tik akademinių institucijų mokslinėse laboratorijose, bet ir pramonėje, ypač mokslinių tyrimų skyriuose. Jie gali būti gerokai mažesni, bet, kaip ir daugelis elektroninių mikroskopų, jie turi būti talpinami specialiuose nuo virpesių apsaugotuose kambariuose arba montuojami ant specialių padėklų. Pro šalį važiuojantis troleibusas gali visiškai sugadinti vykdomą eksperimentą.

Šie mikroskopai ne tik leidžia pamatyti atomus. Be jų iškart sušlubuotų arba net visiškai dingtų didelis pasaulinės pramonės sektorius.