Tiskane izdaje
Če se hočemo zazreti v svet majhnega, potrebujemo napravo za izboljšanje ločljivosti slike − mikroskop. 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 poleg znanosti zelo veliko uporablja tudi v industriji, je razvoj mikroskopije danes skokovito hiter. V tem prispevku je le kratek oris nekaterih tehnik mikroskopije, s katerimi se med drugim ukvarjamo tudi na Institutu Jožef Stefan.
Kot prve so inženirji razvili in izpopolnili optične mikroskope. Pomembna je ločljivost mikroskopa, ki nam pove, kakšna je najmanjša razdalja med dvema točkama, da ju še lahko vidimo ločeni.
Ločljivost mikroskopov določimo z enačbo:
r= (1,22* λ)/(2* NA)
kjer je r ločljivost mikroskopa, λ valovna dolžina elektromagnetnega valovanja, s katerim opazujemo vzorec, NA pa je numerična apertura objektiva mikroskopa.
Za optični mikroskop običajno vstavimo naslednje parametre: λ = 550 nm, kar je valovna dolžina zelene svetlobe in za numerično aperturo 1,3.
S tem dobimo ločljivost 260 nm. Ločljivost lahko nekoliko povečamo, če zmanjšamo valovno dolžino elektromagnetnega valovanja. Torej tako, da namesto zelene svetlobe uporabimo modro, ki ima valovno dolžino 380 nm. S tem dosežemo teoretično ločljivost optičnih mikroskopov − 180 nm.
Tako dolgo časa ni bilo mogoče videti stvari, ki so znatno manjše od valovne dolžine svetlobe. Teh pa je veliko in marsikatere med njimi so življenjsko pomembne (npr. krvne celice, bakterije, virusi, atomi itn.).
Zato je bilo treba v mikroskopijo uvesti novo valovanje, ki ima veliko krajšo valovno dolžino od svetlobe, kar bi izboljšalo ločljivost mikroskopov.
Optični mikroskop na IJS nam omogoča povečave do tisočkrat. Foto: Bojan Ambrožič
Leta 1933 je Ernst Ruska izumil elektronski mikroskop, ki kot tipalo za raziskovanje vzorcev namesto svetlobe uporablja elektrone. Ti imajo valovno dolžino veliko krajšo od enega nanometra (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 pikometrov). Pot v svet nanoinženirnga je bila končno odprta. Treba pa je poudariti, da je praktična ločljivost mikroskopa vedno nižja od teoretične ločljivosti. V elektronskih mikroskopih je to za vsaj en cel red velikosti. Razlog 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.
V osnovi obstajata dva različna tipa elektronskih mikroskopov: presevni in vrstični.
Prvi tip elektronskih mikroskopov so presevni elektronski mikroskopi ali TEM (transmission electron microscope). Ti mikroskopi so shematsko ekvivalentni optičnim mikroskopom. Razlika je le ta, da v optičnih mikroskopih svetlobo zbiramo in uklanjamo s steklenimi lečami, v TEM pa uporabljamo sistem elektromagnetnih leč (elektroni se namreč uklanjajo 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 s prostim očesom ne moremo videti. Zato uporabljamo poseben fosforjev zaslon, ki je občutljiv za prehode elektronov, ali pa CCD-kamere. V Centru za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo na IJS imamo trenutno dva presevna elektronska mikroskopa. Zmogljivejši od njiju ima ločljivost 0,19 nm.
Presevna elektronska mikroskopa, nameščena v Centru za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo na IJS.
Foto: Bojan Ambrožič
Na Kemijskem Inštitutu (KI) se trenutno nahaja najsodobnejši presevni elektronski mikroskop JEOL JEM-ARM200F. To je najdražji kos raziskovalne opreme, kupljen v Sloveniji. Njegova ločljivost je 0,08 nm, kar omogoča 150.000.000-kratno povečavo, ki je ustrezna za preiskovanje vzorcev na atomski ravni. Rutinsko je mogoče posneti posamezne atomske kolone in s posebnimi detektorji tudi ugotoviti, za atome katerega elementa 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 je možno daljinsko upravljanje tega mikroskopa iz neke druge sobe znotraj KI ali celo zunaj njega.
Slika železovih in nikljevih atomskih kolon v meteoritu Estherville. Posneto s TEM JEOL JEM-ARM200F na KI.
Trenutno ima med vsemi elektronskimi mikroskopi na svetu največjo ločljivost (35 pikometrov) vrstični presevni elektronski holografski mikroskop − STEHM (scanning transmission electron holograpy microscope) v Viktoriji v Kanadi. Mikroskop je tako občutljiv na vibracije, da ga zmoti že sprememba temperature zraka le za 0,025 stopinje Celzija.
Drugi tip elektronskih mikroskopov so vrstični elektronski mikroskopi, znani pod kratico SEM (scanning electron microscope). Delujejo tako, da vzorec obstreljujemo s curkom elektronov 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. Ločljivost teh mikroskopov znaša okoli enega nanometra. Poleg tega detektorji med drugim beležijo tudi rentgensko sevanje, ki nosi informacijo o kemijski sestavi vzorca. Poleg visoke ločljivosti 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 spada tudi tehnika fokusiranega ionskega curka (FIB), ki je ena izmed tehnik elektronske mikroskopije, s katerimi se sam največ ukvarjam. Več o tehniki FIB bom pisal v naslednjem blogu.
Vrstični elektronski mikroskop na IJS. Foto: Bojan Ambrožič
***
Bojan Ambrožič je magister inženir geologije, zaposlen na Institutu Jožef Stefan, in avtor spletnega bloga, ki ga piše izključno iz močne strasti in veselja, pa tudi zato, ker mu omogoča, da ima »v lasti« majhen košček interneta, kjer je svoboden.
