Mikroskop odpira okno v kvantni svet

Novost v uporabi TEM: Inovativna uporaba transmisijskega elektronskega mikroskopa je omogočila svetovni rekord v ločljivosti slike
Fotografija: Vsaka pika na tej sliki so posamezni atomi molibdena in žvepla v dveh prekrivajočih se za atom debelih slojev. Ta posnetek se ponaša z najvišjo ločljivostjo do zdaj. FOTO: Univerza Cornell
Odpri galerijo
Vsaka pika na tej sliki so posamezni atomi molibdena in žvepla v dveh prekrivajočih se za atom debelih slojev. Ta posnetek se ponaša z najvišjo ločljivostjo do zdaj. FOTO: Univerza Cornell

Že vsa leta, odkar so se znanstveni laboratoriji postopno začeli opremljati s transmisijskim elektronskim mikroskopom, njegova uporaba podira rekorde v vpogledu očem in klasičnim mikroskopom nevidni svet okrog nas.

Snopi elektronov, na katerih temelji uporaba teh mikroskopov, s kratico imenovanih TEM, so raziskovalcem razkrili različne tipe virusov, omogočili so raziskovanje posameznih delov bioloških celic, denimo ribosomov in mitohondrijev, in seveda omogočili pogled na posamezne atome.


Dramatične spremembe v znanosti


Nedavno pa je raziskovalcem znamenitega Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley iz Kalifornije v sodelovanju z Univerzo Cornell uspelo razviti novo obetavno uporabo tega mikroskopa. Po besedah fizika Davida Mullerja z Univerze Cornell, ki je vodil to skupino raziskovalcev, njihova metoda omogoča »dramatične in nenadne premike v znanosti. Nekaj podobnega, kot če iz dvomotornega letala presedeš na jet,« je slikovito opisal.

Kaj jim je uspelo doseči in kako, so opisali v julijski številki prestižne znanstvene revije Nature. Z njihovim mikroskopom jim je uspelo dobiti sliko z najvišjo ločljivostjo do zdaj, dosegli so torej svetovni rekord v resoluciji slike.


Očala za elektronski mikroskop


Da jim je to uspelo, so morali najprej narediti posebne leče, ki bolje osredotočajo elektrone, »nekakšna očala za sam mikroskop«, je medijem pojasnil Muller. Razvili so tudi superobčutljivo kamero, ki zmore hitro zaznati posamezne elektrone. Njeni posnetki imajo tolikšno ločljivost, da na primer podrobno kažejo, kako sta med seboj povezana atom molibdena in žvepla. Raziskovalci tako zdaj lahko poleg ločevanja posameznih atomov vidijo tudi, ko so ti ločeni drug od drugega za le 0,4 angstroma, za polovico dolžine same kemijske vezi. Zaznajo lahko celo natančno mesto, kjer v sicer ponavljajočem se vzorcu materiala manjka en sam atom žvepla.

»Vidimo lahko različne zadeve, ki jih prej nismo mogli videti,« pojasnjuje David Muller. Sam zdaj raziskuje tanke materiale, ki niso debelejši od dveh atomov in ki se ponašajo z nenavadnimi lastnostmi. Tako so pred kratkim odkrili, da ena vrsta takih tankih materialov, ko jo razslojijo na določen način, postane superprevodna. Muller upa, da jim bo prav mikroskop, uporabljen z njihovo inovacijo, pomagal razkriti mehanizme, ki so v ozadju takih lastnosti.


Razločevanje slike na ravni atomov


Ko želimo povečevati najmanjše, nevidno okoli nas, nam elektroni veliko bolj pomagajo kot nam lahko svetloba. Elektroni, ki jim valovne lastnosti omogoča kvantna mehanika, imajo za tisočkrat krajše valovne dolžine. Krajše valovne dolžine omogočajo višjo ločljivost, podobno kot tanjša nit omogoča vezenje zapletenih vzorcev do najmanjše podrobnosti.

Raziskovalci Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley so z mikroskopom dobili posnetek skupka atomov železa in platine z izjemno veliko ločljivostjo. FOTO: Colin Ophus
Raziskovalci Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley so z mikroskopom dobili posnetek skupka atomov železa in platine z izjemno veliko ločljivostjo. FOTO: Colin Ophus


»Elektronski mikroskopi so trenutno še vedno edino okno v razločevanje slike na ravni atomov,« poudarja fizik Ben My Morran z Univerze v Oregonu. Visoka resolucija ni njihova edina prednost. V članku, ki čaka na objavo v reviji Nano Letters, Morran opisuje, kako je njegova raziskovalna skupina razvila novo vrsto podobe, ki jo je mogoče dobiti z mikroskopom.

Njihova metoda lahko prikaže sliko materialov, ki so navadno nevidni elektronom, kot je atom litija. To, da zdaj lahko dobijo slike litija, bo po predvidevanjih raziskovalcev omogočilo raziskave za izboljšanje litijevih baterij. In ne le to. Z meritvami lastnosti elektronov, to je njihove faze, lahko do podrobnosti razberejo dejanska električna in magnetna polja znotraj materialov, pojasnjuje Fehmi Yasin, doktorant fizike na Univerzi Oregon. »Ta tehnika zdaj lahko izvabi precej več informacij iz elektrona,« je prepričan.


S sestavljanjem kock do novih materialov


Nove zmogljivosti v uporabi TEM so obetavne predvsem za raziskave nanodelcev, ki so manjši od posameznih bakterij. Mary Scott, raziskovalka na Kalifornijski univerzi Berkeley, je že razvila način, kako z več takimi posnetki z različnih kotov lahko ustvari zelo natančne tridimenzionalne modele vse do ravni posameznih atomov. Lani je skupaj s sodelavci natančno določila lokacijo 23.000 atomov v enem samem nanodelcu srebra in platine. Takšni podrobni modeli zdaj omogočajo raziskovanje, kako en sam posamezen atom pripomore k določanju lastnosti nekega materiala, na primer njegove jakosti ali prevodnosti.

Raziskave materialov pa niso končni cilj teh eksperimentov, ampak raziskovalci, kot je Mary Scott, želijo atome spremeniti v miniaturne »lego kocke«. S sestavljanjem teh »kock« želijo ustvariti povsem nove materiale. Toda že minimalna sprememba v atomski sestavi materiala lahko močno spremeni njegovo funkcijo, pravi Mary Scott, in še vedno ne razumemo dobro, zakaj se to dogaja. Ti novi zelo ločljivi mikroskopski posnetki pa nam lahko pokažejo, kako in zakaj se to dogaja.

Preberite še:

Več iz te teme:

Komentarji: