Stepan Lisovsky, pelajar PhD di MIPT, seorang pegawai di Jabatan Nanometrology dan Nanomaterials, bercakap mengenai prinsip asas nanometrology dan fungsi pelbagai mikroskop dan menjelaskan mengapa ukuran zarah bergantung pada cara pengukurannya.
Pemikiran rujukan
Sebagai permulaan - mengenai metrologi sederhana. Sebagai disiplin ilmu, hal itu mungkin timbul sejak zaman kuno, lalu banyak yang berpendapat mengenai ukuran itu - dari Pythagoras hingga Aristoteles - tetapi tidak muncul. Metrologi gagal menjadi sebahagian daripada gambaran ilmiah dunia pada masa itu kerana Aristoteles yang sama. Selama berabad-abad yang akan datang, dia menetapkan keutamaan deskripsi kualitatif fenomena daripada kuantitatif. Semuanya berubah hanya pada zaman Newton. Makna fenomena "menurut Aristoteles" berhenti memuaskan para saintis, dan penekanan beralih - dari bahagian semantik keterangan ke sintaksis. Ringkasnya, diputuskan untuk melihat ukuran dan tahap interaksi antara perkara, dan tidak berusaha memahami intinya. Dan ternyata jauh lebih berbuah. Kemudian datang jam metrologi terbaik.
Tugas metrologi yang paling penting adalah memastikan keseragaman ukuran. Matlamat utama adalah untuk melepaskan hasil pengukuran dari semua butiran: masa, tempat pengukuran, dari siapa yang mengukur dan bagaimana dia memutuskan untuk melakukannya hari ini. Akibatnya, hanya ada yang selalu ada dan di mana-mana sahaja, tanpa menghiraukan apa pun, benda akan menjadi miliknya - ukuran objektifnya, yang menjadi miliknya berdasarkan kenyataan yang umum bagi semua orang. Bagaimana untuk mencapai perkara itu? Melalui interaksinya dengan alat pengukur. Untuk ini, mesti ada kaedah pengukuran yang disatukan, dan juga standard, yang sama untuk semua.
Oleh itu, kita telah belajar mengukur - semua yang tinggal adalah semua orang lain di dunia untuk mengukur dengan cara yang sama seperti kita. Ini memerlukan mereka semua menggunakan kaedah yang sama dan menggunakan standard yang sama. Orang ramai dengan cepat menyedari faedah praktikal untuk memperkenalkan satu sistem langkah dan bersetuju untuk memulakan rundingan. Sistem pengukuran metrik muncul, yang secara beransur-ansur menyebar ke hampir seluruh dunia. Ngomong-ngomong, di Rusia, kelebihan memperkenalkan sokongan metrologi adalah milik Dmitry Mendeleev.
Hasil pengukuran, selain nilai sebenarnya dari kuantiti, juga merupakan pendekatan yang dinyatakan dalam unit pengukuran. Oleh itu, meter yang diukur tidak akan menjadi Newton, dan ohm tidak akan menjadi tesla. Maksudnya, kuantiti yang berbeza menunjukkan sifat pengukuran yang berbeza, tetapi, tentu saja, ini tidak selalu berlaku. Satu meter wayar ternyata menjadi meter baik dari segi ciri spatialnya, dan dari segi kekonduksiannya, dan dari segi jisim bahan di dalamnya. Satu kuantiti terlibat dalam fenomena yang berbeza, dan ini sangat memudahkan kerja ahli metrologi. Bahkan tenaga dan jisim ternyata setara dengan tahap tertentu, oleh itu jisim zarah supermasif diukur dari segi tenaga yang diperlukan untuk membuatnya.
Video promosi:
Sebagai tambahan kepada nilai kuantiti dan unit pengukurannya, terdapat beberapa faktor penting yang perlu anda ketahui mengenai setiap pengukuran. Semuanya terkandung dalam teknik pengukuran khusus yang dipilih untuk kes yang kita perlukan. Semuanya ada di dalamnya: sampel standard, dan kelas ketepatan instrumen, dan juga kelayakan penyelidik. Mengetahui bagaimana menyediakan semua ini, berdasarkan metodologi, kita dapat melakukan pengukuran yang betul. Pada akhirnya, penerapan teknik ini memberi kita dimensi ralat pengukuran yang dijamin, dan keseluruhan hasil pengukuran dikurangkan menjadi dua nombor: nilai dan kesalahannya, yang biasanya dilakukan oleh para saintis.
Ukur yang tidak kelihatan
Nanometrology berfungsi dengan undang-undang yang hampir sama. Tetapi ada beberapa nuansa yang tidak dapat diabaikan. Untuk memahaminya, anda perlu memahami proses-proses dunia nano dan memahami apa sebenarnya ciri mereka. Dengan kata lain, apa yang begitu istimewa mengenai nanoteknologi.
Kita mesti memulakan, tentu saja, dengan dimensi: satu nanometer per meter hampir sama dengan satu orang Cina dalam populasi China. Skala ini (kurang dari 100 nm) membolehkan keseluruhan siri kesan baru. Di sini, kesan fizik kuantum, termasuk terowong, dan interaksi dengan sistem molekul, serta aktiviti dan keserasian biologi, dan permukaan yang terlalu maju, isinya (lebih tepatnya, lapisan permukaan dekat) setanding dengan jumlah isi nanoob itu sendiri. Sifat-sifat ini adalah harta karun peluang bagi ahli nanoteknologi dan pada masa yang sama, kutukan ahli nanometrologi. Kenapa?
Maksudnya ialah, kerana adanya kesan khas, nanoobjects memerlukan pendekatan baru. Mereka tidak dapat dilihat secara optik dalam pengertian klasik kerana batasan asas pada resolusi yang dapat dicapai. Kerana ia terikat dengan panjang gelombang radiasi yang dapat dilihat (anda boleh menggunakan gangguan dan sebagainya, tetapi semua ini sudah eksotik). Terdapat beberapa penyelesaian asas untuk masalah ini.
Semuanya bermula dengan projektor auto-elektronik (1936), yang kemudian diubah menjadi auto-ionik (1951). Prinsip pengoperasiannya didasarkan pada gerakan elektron dan ion segiempat tepat di bawah tindakan daya elektrostatik yang diarahkan dari katod skala nano ke skrin anod dimensi makroskopik yang sudah kita perlukan. Gambar yang kita perhatikan di layar terbentuk di atau dekat katod kerana proses fizikal dan kimia tertentu. Pertama sekali, ini adalah pengekstrakan elektron medan dari struktur atom katod dan polarisasi atom gas "pengimejan" berhampiran hujung katod. Setelah terbentuk, gambar dalam bentuk sebaran ion atau elektron tertentu diproyeksikan ke layar, di mana ia ditunjukkan oleh kekuatan pendarfluor. Dengan cara yang elegan ini, anda dapat melihat struktur nano petua yang diperbuat daripada logam dan semikonduktor tertentu,tetapi keanggunan penyelesaian di sini berkaitan dengan sekatan yang terlalu ketat terhadap apa yang dapat kita lihat, jadi projektor ini tidak menjadi sangat popular.
Penyelesaian lain adalah arti harfiah permukaan, pertama kali disadari pada tahun 1981 dalam bentuk mikroskop probe pengimbasan, yang dianugerahkan Hadiah Nobel pada tahun 1986. Seperti yang anda duga dari namanya, permukaan yang akan diperiksa diimbas dengan probe, yang merupakan jarum runcing.
Mikroskop Probe Mengimbas
© Max Planck Institute for Solid State Research
Interaksi berlaku di antara hujung dan struktur permukaan, yang dapat ditentukan dengan ketepatan yang tinggi bahkan oleh daya yang bertindak pada probe, bahkan oleh pesongan yang timbul dari probe, bahkan oleh perubahan frekuensi (fasa, amplitud) osilasi probe. Interaksi awal, yang menentukan kemampuan untuk menyelidiki hampir semua objek, yakni universalitas kaedah, didasarkan pada daya tolakan yang timbul dari hubungan dan pada kekuatan van der Waals jarak jauh. Adalah mungkin untuk menggunakan kekuatan lain, dan bahkan arus terowong yang muncul, memetakan permukaan tidak hanya dari segi lokasi spasial di permukaan nanoobjek, tetapi juga sifatnya yang lain. Adalah penting bahawa probe itu sendiri berskala nano, jika tidak, probe tidak akan mengimbas permukaannya,dan permukaannya adalah penyelidikan (berdasarkan undang-undang ketiga Newton, interaksi ditentukan oleh kedua-dua objek dan, dalam arti, simetri). Tetapi secara keseluruhan, kaedah ini ternyata universal dan memiliki kemungkinan yang paling luas, sehingga menjadi salah satu kaedah utama dalam kajian struktur nano. Kelemahan utamanya adalah bahawa ia sangat memakan masa, terutama jika dibandingkan dengan mikroskop elektron.
Mikroskop elektron, omong-omong, juga mikroskop probe, hanya sinar elektron yang fokus bertindak sebagai probe di dalamnya. Penggunaan sistem lensa menjadikannya konseptual serupa dengan optik, walaupun tidak tanpa perbezaan besar. Pertama dan terpenting: elektron mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada foton, kerana besarnya. Sudah tentu, panjang gelombang di sini tidak tergolong dalam zarah, elektron dan foton, tetapi mencirikan tingkah laku gelombang yang sesuai dengannya. Perbezaan penting lain: interaksi badan dengan foton dan elektron sangat berbeza, walaupun tidak mempunyai ciri umum. Dalam beberapa kes, maklumat yang diperoleh daripada interaksi dengan elektron lebih bermakna daripada interaksi dengan cahaya - namun, keadaan sebaliknya tidak jarang berlaku.
Dan perkara terakhir yang harus diberi perhatian adalah perbezaan antara sistem optik: jika badan material secara tradisional merupakan lensa cahaya, maka bagi sinar elektron ini adalah medan elektromagnetik, yang memberikan kebebasan yang lebih besar untuk memanipulasi elektron. Ini adalah "rahsia" mikroskop elektron pengimbasan, gambar di mana, walaupun ia seperti yang diperoleh dalam mikroskop cahaya konvensional, dibuat hanya untuk kemudahan pengendali, tetapi diperoleh dari analisis komputer mengenai ciri-ciri interaksi sinar elektron dengan raster (piksel) yang terpisah pada sampel yang kemudiannya diimbas. Interaksi elektron dengan badan memungkinkan untuk memetakan permukaan dari segi lega, komposisi kimia, dan bahkan sifat cahaya. Rasuk elektron mampu melewati sampel tipis,yang membolehkan anda melihat struktur dalaman objek tersebut - hingga ke lapisan atom.
Ini adalah kaedah utama untuk membezakan dan menyiasat geometri objek pada tahap skala nano. Terdapat yang lain, tetapi mereka berfungsi dengan keseluruhan sistem nanoobjects, mengira parameternya secara statistik. Berikut adalah diffractometry sinar-X serbuk, yang membolehkan anda mengetahui bukan sahaja komposisi fasa serbuk, tetapi juga mengenai sebaran saiz kristal; dan elipsometri, yang mencirikan ketebalan filem tipis (perkara yang tidak dapat diganti dalam penciptaan elektronik, di mana seni bina sistem dibuat terutamanya dalam lapisan); dan kaedah penyerapan gas untuk analisis luas permukaan tertentu. Bahasa boleh dipecahkan dengan nama beberapa kaedah: penyerakan cahaya dinamik, spektroskopi elektroakustik, relaksometri resonans magnetik nuklear (namun, ia hanya disebut relaksometri NMR).
Tetapi bukan itu sahaja. Sebagai contoh, cas boleh dipindahkan ke zarah nanopartikel yang bergerak di udara, setelah itu medan elektrostatik dapat dihidupkan dan, bergantung pada bagaimana zarah dipesongkan, ukuran aerodinamiknya dapat dihitung (daya geserannya terhadap udara bergantung pada ukuran zarah). By the way, dengan cara yang sama, ukuran nanopartikel ditentukan dalam kaedah penyebaran cahaya dinamik yang telah disebutkan, hanya halaju gerakan Brownian yang dianalisis, dan lebih tidak langsung, dari turun naik penyerakan cahaya. Diameter zarah hidrodinamik diperolehi. Dan ada lebih daripada satu kaedah "pandai" seperti itu.
Banyak kaedah yang sepertinya mengukur ukuran yang sama - mempunyai satu perincian yang menarik. Nilai ukuran satu dan objek nano yang sama sering berbeza, kadang-kadang bahkan kadang-kadang.
Apakah ukuran yang betul?
Sudah waktunya untuk mengingat metrologi biasa: hasil pengukuran, selain nilai yang diukur sebenarnya, juga ditentukan oleh ketepatan pengukuran dan kaedah pengukuran dilakukan. Oleh itu, perbezaan hasil dapat dijelaskan oleh ketepatan yang berbeza dan sifat yang berbeza dari nilai yang diukur. Tesis mengenai sifat yang berbeza dari ukuran yang berbeza dari nanopartikel yang sama mungkin kelihatan liar, tetapi sebenarnya. Ukuran nanopartikel dari segi kelakuannya dalam penyebaran berair tidak sama dengan ukurannya dari segi penjerapan gas di permukaannya dan tidak sama dengan ukurannya dari segi interaksi dengan sinar elektron dalam mikroskop. Belum lagi fakta bahawa untuk kaedah statistik adalah mustahil untuk berbicara mengenai ukuran tertentu, tetapi hanya mengenai nilai yang mencirikan ukuran. Tetapi di sebalik perbezaan ini (atau terima kasih kepada mereka), semua hasil ini dapat dianggap sama benar, hanya mengatakan sedikit tentang perkara yang berbeza, melihat dari sudut yang berbeza. Tetapi hasil ini dapat dibandingkan hanya dari sudut pandang kecukupan bergantung pada mereka dalam situasi tertentu: untuk meramalkan tingkah laku nanopartikel dalam cecair, lebih sesuai menggunakan nilai diameter hidrodinamik, dan sebagainya.
Semua perkara di atas berlaku untuk metrologi konvensional, dan bahkan untuk sebarang catatan fakta, tetapi ini sering diabaikan. Kita boleh mengatakan bahawa tidak ada fakta yang lebih benar dan kurang benar, lebih konsisten dengan kenyataan dan kurang (kecuali mungkin pemalsuan), tetapi hanya ada fakta yang lebih banyak dan fakta yang kurang memadai untuk digunakan dalam situasi tertentu, serta berdasarkan lebih banyak dan lebih sedikit tafsiran yang betul untuk ini. Ahli-ahli falsafah telah belajar ini dengan baik sejak zaman positivisme: sebarang fakta secara teori dimuatkan.
