Визуальное наблюдение атомов под микроскопом

0,6 ангстрема. Таков текущий рекорд разрешения в электронной микроскопии. Группа американских учёных получила прекрасные изображения отдельных атомов лантана, присоединённых к слоям нитрида кремния. За кадром остались титанические усилия, которые потребовались для сотворения этого чуда.

В 1959 году Ричард Фейнман, всемирно известный американский физик, первым предсказал появление нанотехнологий и, так сказать, нанонауки. Тогда он заявил, что эта науку ждёт взлёт, когда разрешение электронных микроскопов вырастет в сто раз. Этот взлёт потребовал 45 лет.

Рекорд поставила научная группа электронной микроскопии (Electron Microscopy Group Condensed Matter Sciences Division) американской национальной лаборатории в Окридже (Oak Ridge National Laboratory — ORNL).

Собственно, планка была взята в прошлом году, и коротко мы об этом говорили. Правда, тогда учёные разглядывали другие элементы. И с тех пор провели много новых опытов. Неважно. Интересно другое: мы раскопали подробности "закулисья" рекордного достижения. Хотите узнать чего стоят эти 0,6 ангстрема?

Слева – практически исходное изображение. Жёлтые пятнышки – атомы. Справа – пояснение (иллюстрация ORNL).

В общем-то, рекорд не был самоцелью. Лидер группы — Стив Пенникук (Steve Pennycook) — и его коллеги помогают учёным изучать материалы на атомном уровне, их поведение в разных условиях и особенно – взаимодействие разных веществ.

Но то, что они сделали – удивительно. Они взяли микроскопический кусочек нитрида кремния, покрыли его атомарным слоем лантана, ухитрились сделать разрез этого "пирога" и отсняли его с помощью своего зоркого инструмента.

Разрешение этого изображения достигло 0,6 ангстрема. 1 ангстрем равен 1 десятимиллионной доле миллиметра.

Инструмент – это так называемый Z-контрастный сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации (уф, больше выговаривать это не будем), установленный с полной развязкой от вибраций, акустических и магнитных полей в сравнительно недавно возведённом здании лаборатории передовой микроскопии ORNL (Advanced Microscopy Laboratory).

Лаборатория передовой микроскопии ORNL (иллюстрация ORNL).

Надеемся, вы знаете, что такое – электронный микроскоп. В нём вместо лучей света информацию о предмете получает поток электронов, ускоренных высоким напряжением, а вместо линз, фокусирующей оптики и прочего – прецизионные электромагнитные системы.

"Z-контрастный" означает, что данный аппарат реагирует на атомное число элемента, ярко выделяя тяжёлые атомы на фоне лёгких.

Первый Z-контрастный электронный микроскоп учёные, инженеры и промышленники разрабатывали ещё в 1988 году, при непосредственном участии Пенникука, кстати. В 2001 году электронная микроскопия взяла рубеж разрешения в 0,8 ангстрема. Для шага к 0,6 ангстрема физикам пришлось прыгнуть выше головы.

Резиновые подушки, воздуховоды с двойными стенками и изоляцией – меры против шумов и вибраций (иллюстрация ORNL).

Например: построить необычное здание, в котором комната с микроскопом висит на специальной подвеске внутри другой комнаты.

Там приняты все меры, чтобы свести проникновение внешних магнитных полей до уровня ниже 0,3 миллигаусса, то есть — до уровня в тысячи раз меньшего, чем сила магнитного поля Земли, способного разве что только отклонить стрелку компаса, висящую на игле.

Безсквозняковая вентиляция (иллюстрация ORNL).

Даже воздухообмен в этой комнате выполнен особым образом — чтобы исключить малейшие сквознячки, способные пошевелить пылинку или температурные колебания, которые человек бы и не почувствовал.

Да что там пылинка. Можно представить, что форточка, открытая где-нибудь неподалёку от прибора или чихнувший сотрудник способны увести настройки прочь – целимся-то мы в отдельные атомы! Потому микроскоп управляется дистанционно из диспетчерской.

Все эти ухищрения позволили группе Пенникука за последнее время сделать массу открытий в поведении сверхпроводников и конструкционных материалов.

Только один пример: разглядывая буквально атом за атомом, как разные элементы выстраиваются друг рядом с другом, учёные раскрыли секрет ломкости лопаток турбины авиадвигателей, покрытых каким-то хитрым стойким составом.

Главное – не уронить: привезли и монтировали прибор по частям (иллюстрация ORNL).

После этого кажутся вполне обоснованными затраты на такие работы. Так, рекордный микроскоп обошёлся ORNL в $3 миллиона, а суперизолированное от внешнего мира здание – в $4,8 миллиона.

Сколько стране могут дать новые материалы и вообще – понимание взаимодействия веществ – оценивайте сами.

Этот документ использован в разделе "Высшие технологии и теории"

Визуальное наблюдение атомов под микроскопом