Elektronski mikroskopi

V prvi vrstici moram reči, takoj v naslednji vrstici dodati in nazadnje, čisto spodaj, skleniti, da imam res izredno srečo, da sodim med tisto peščico ljudi, ki imajo tako radi svoje delo, da ga lahko smatrajo tudi kot svoj hobi. Od začetka leta sem namreč zaposlen na Odseku za nanostrukturne materiale na Institutu “Jožef Stefan” (IJS). In kot pove že ime samo, se tu ukvarjamo predvsem s stvarmi, ki so resnično majhne. Predmeti, kot so bucikina glavica, šivankino uho, konica igle in debelina lasu, se nam zdijo v vsakdanjem življenju majhne. Vendar ima pridevnik “majhno” pri nas na Odseku povsem drugačen pomen. Vsi ti našteti predmeti so v resnici veliko preveliki, da bi jih na IJS sploh lahko opazovali z močnimi presevnimi elektronskimi mikroskopi, o katerih govori nadaljevanje prispevka. Na IJS lahko svet opazujem tudi na ravni atomov, kar pomeni, da vidimo stvari vsaj milijonkrat manjše, kot s prostim očesom.

Če se želimo zazreti v svet majhnega, potrebujemo takšen ali drugačen pripomoček za izboljšanje ločljivosti slike – t.j. mikroskop. Najlažje je uporabiti povečevalno lečo ali lupo. Tekom zgodovine znanosti je bilo razvitih na stotine različnih vrst mikroskopov in tehnik mikroskopije, ki nam omogočajo najraznovrstnejši vpogled v “svet majhnega”. Ker se mikroskopija zelo veliko uporablja tudi v industriji in ne samo v napredni znanosti, je razvoj mikroskopije dandanes skokovito hiter. Tako “nov, najboljši” mikroskop običajno popolnoma zastari prej, kot desetih letih. V tem prispevku je le kratek oris nekaterih tehnik mikroskopije, s katerimi se ukvarjamo na IJS.

Kot prve so inženirji razvili in izpopolnili različne optične mikroskope. Ti delujejo podobno, kot astronomski teleskopi na principu zbiranju vidne svetlobe s pomočjo zapletenega sistema leč. Tako kot v teleskopih, tudi v mikroskopih največja povečava ni najbolj pomemben podatek o kvaliteti mikroskopa. Pomembna je ločljivost mikroskopa, ki nam pove, kakšna je še najmanjša razdalja med dvema točkama, da ju še lahko vidimo ločeni. Tudi človeško oko ni nobena izjema, je prav tako neke vrste “biološka” optična naprava. Ločljivost človeškega očesa je eno ločno minuto oz. približno 0,1 mm, kar je približno toliko, kot znaša debelina človeškega lasu.

Najboljši optični mikroskopi ne morejo razločiti objektov, dosti manjših od približno 1 μm (mikrometra), tj. tisočinke milimetra. Razlog tiči v tem, da je ločljivost mikroskopov omejena približno s polovično razdaljo valovne dolžine elektromagnetnega valovanja, s katerim opazujemo vzorec. In ker z optičnim mikroskopom preiskujemo vzorce s pomočjo vidne svetlobe, katere valovna dolžina znaša med 0,38 in 0,70 μm, lahko teoretično vidimo vzorce do velikosti okrog 0,2 μm. Tako dolgo časa ni bilo mogoče videti stvari, ki so znatno manjše od valovne dolžine svetlobe. Le teh pa je veliko in marsikatere izmed njih so življenjsko pomembne (npr. krvne celice, bakterije, virusi,… … atomi, itd.,). Zato je bilo v mikroskopijo potrebno uvesti novo valovanje, ki ima veliko krajšo valovno dolžino, kar bi izboljšalo ločljivost mikroskopov.

Na IJS uporabljamo sodoben optični petrografski mikroskop Zeiss Axio Z1-m. Omogoča povečave do 1000 x. Opremljen je z motorizirano mizico, ki v kombinaciji s CCD kamero in ter s posebno programsko opremo, sestavi sliko s potencialno neskončno globinsko ostrino

V 40. letih prejšnjega stoletja je prišlo do iznajdbe prvih elektronskih mikroskopov, ki kot tipalo za raziskovanje vzorcev uporabljajo elektrone. Le ti imajo valovno dolžino krajšo od enega nanometra (nm), torej milijoninke milimetra. Pa ne samo to – valovno dolžino elektronov lahko tudi zmanjšamo in sicer tako, da povečamo energijo (gibalno količino) elektronov vse do valovne dolžine nekaj pikometrov (milijardink milimetra). S tem je teoretična ločljivost mikroskopa prvič padla pod velikost vodikovega atoma (50 pm). Pot v svet nanoinženirnga je bila končno odprta. Potrebno pa je poudariti, da je praktična ločljivost mikroskopa vedno nižja od teoretične ločljivosti. V elektronskih mikroskopih je to vsaj za en cel red velikosti. Razlog pa je predvsem v napakah (aberacijah), ki nastanejo vzdolž poti elektronov skozi celoten mikroskop: od izvora elektronov na elektronski puški prek sistema leč do vzorcev in na koncu do detektorjev.

Vrstični elektronski mikroskop s tehniko fokusiranega ionskega curka

V osnovi obstajata dva različna tipa elektronskih mikroskopov: vrstični in presevni. Vrstični elektronski mikroskopi so znani pod kratico SEM (Scanning electron microscope). Delujejo tako, da vzorec obstreljujejo s curkom elektronom s premerom manj kot en nanometer, ki potuje (vrstiči) gor in dol po vzorcu. Elektroni zadevajo vzorec in povzročajo nastanek različnih vrst elektronov ter valovanj, ki jih beležijo v mikroskopu nameščeni detektorji. Iz signalov iz detektorjev, računalnik sestavi sliko vzorca, ki ima ločljivost do okoli enega nanometra. Poleg tega detektorji med drugim beležijo tudi rentgensko sevanje, ki nosi informacijo o kemijski sestavi vzorca. Poleg ločljivost je prednost vrstičnega elektronskega mikroskopa tudi zelo dobra globinska ostrina, kar nam da zelo dobro 3-D predstavo o obliki vzorca. Med tehnike vrstične elektronske mikroskopije sodi tudi tehnika fokusiranega ionskega curka (FIB), ki je v centru mojih raziskav. V osnovi to tehniko mikroskopije uporabljamo za pripravo mikroskopsko majhnih vzorcev, kakršni so nujno potrebni za opazovanje vzorcev na atomski ravni s presevno elektronsko mikroskopijo. Več o tehniki FIB sem na Blogu že pisal tule. Poleg mikroskopa FIB, ki spada med najboljše na svetu svoje vrste, imamo na IJS še tri druge vrstične elektronske mikroskope, vsak je opremljen z drugačnimi detektorji za preiskovanje različnih lastnosti vzorcev.

Vrstični elektronski mikroskop JEOL JSM-7600F na IJS ima poleg svoje dobre ločljivosti nameščen tudi pester nabor različnih detektorjev. Na njem so nameščeni detektorji za tehniko uklona povratnosipanih elektronov (EBSD), tehniko energijske disperzije spektroskopije (EDS) ter valovnodolžinsko disperzijsko spektroskopijo (WDS)

Drug tip elektronskih mikroskopov so presevni elektronski mikroskopi ali TEM (Transmission electron microscope). Ti mikroskopi so v resnici, vsaj shematsko, ekvivalentni optičnim mikroskopov. Razlika je le v tem da v optičnih mikroskopih svetlobo zbiramo in uklanjamo s steklenimi lečami, v TEM-ih pa uporabljamo sistem elektromagnetnih leč (elektroni se namreč uklanjaj v EM polju), ki zbirajo in uklanjajo elektrone. Na koncu optične poti optični mikroskop svetlobo vodi v oči opazovalca ali pa na kamero. Elektronov pa seveda z očmi ne moremo videti. Zato uporabljamo poseben fosforjev zaslon, ki je občutljiv na prehode elektronov. V Centru za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo na IJS imamo trenutno dva presevna elektronska mikroskopa. Boljši izmed njiju ima ločljivost 0,19 nm.

Na Kemijskem Inštitutu (KI), s katerim sodelujemo, so pred kratkim kupili najsodobnejši presevni elektronski mikroskop JEOL JEM-ARM200F. S ceno 3,7 milijona evrov je to hkrati tudi najdražji kos raziskovalne opreme, kupljen v Sloveniji. Njegova ločljivost je 0,11 nm in omogoča 150.000.000-kratno povečavo, kar omogoča preiskovanje vzorcev na atomski ravni. Rutinsko je mogoče posneti posamezne atome in s posebnimi detektorji tudi ugotoviti, za atom katerega element gre. Mikroskop je tako občutljiv, da ga zmoti že vsako najmanjše kroženje zraka ali sprememba temperature v prostoru. Zato je nameščen v posebnem prostoru znotraj Preglovega centra na KI, ki je popolnoma izoliran od vseh tresljajev. Že sama prisotnost operaterja mikroskopa v prostoru lahko predstavlja prehudo motnjo za optimalno delovanje mikroskopa, zato poteka upravljanje tega mikroskopa daljinsko, iz neke druge sobe znotraj KI ali celo izven njega.

Trenutno ima med vsemi elektronskimi mikroskopi na svetu največjo ločljivost (0,035 nm) vrstični presevni elektronski holografski mikroskop – STEHM (Scanning transmission electron holograpy microscope) v Viktoriji v Kanadi. Mikroskop je tako občutljiv, da ga zmoti že sprememba temperature zraka za le 0,025 °C. Skratka razvoj gre tu zelo hitro naprej.

Toliko zelo na kratko o elektronskih mikroskopih. V resnici bi si prav vsaka omenjena tehnika zase zaslužila poglobljeno obravnavo. Prav tako sem vam še “dolžan” pokazati, kako izgledajo slike atomov, posnetih z omenjenimi mikroskopi. Vse to še sledi v naslednjih blogih, ki bodo nastajali v okviru projekta za promocijo znanosti – Znanost na cesti.

Za konec pa naj kot zanimivost še omenim, da obstajajo še nekatere druge vrste mikroskopov, kot so npr. vrstični tunelski mikroskopi in mikroskopi na atomsko silo (ki jih tudi imamo na IJS), s katerimi je mogoče doseči še večje ločljivosti, kot je to trenutno možno z elektronsko mikroskopijo. Ampak o njih naslednjič.