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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Microscopio a sonda a scansione. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano La direzione più giovane e allo stesso tempo promettente nello studio delle proprietà della superficie è la microscopia a scansione di sonda. I microscopi a sonda hanno una risoluzione record - inferiore a 0,1 nm. Possono misurare l'interazione tra una superficie e una punta microscopica che la scansiona - una sonda - e visualizzare un'immagine tridimensionale sullo schermo di un computer.
I metodi di microscopia a sonda consentono non solo di vedere atomi e molecole, ma anche di influenzarli. In questo caso, cosa particolarmente importante, gli oggetti possono essere studiati non necessariamente nel vuoto (cosa usuale per i microscopi elettronici), ma anche in vari gas e liquidi. Il microscopio a tunneling a scansione di sonda è stato inventato nel 1981 da G. Binning e H. Rohrer (USA), dipendenti dell'IBM Research Center. Cinque anni dopo, hanno ricevuto il Premio Nobel per questa invenzione. Binning e Rohrer hanno tentato di progettare un dispositivo per lo studio di aree di superficie inferiori a 10 nm. Il risultato ha superato le più rosee aspettative: gli scienziati sono stati in grado di vedere singoli atomi, la cui dimensione è di circa un nanometro. Il funzionamento di un microscopio a scansione tunnel si basa su un fenomeno quantomeccanico chiamato effetto tunnel. Una punta di metallo molto sottile - una sonda carica negativamente - viene portata a una distanza ravvicinata dal campione, anch'esso metallico, caricato positivamente. In quel momento, quando la distanza tra loro raggiunge diverse distanze interatomiche, gli elettroni inizieranno a attraversarlo liberamente - "tunnel": una corrente scorrerà attraverso lo spazio vuoto. La forte dipendenza dell'intensità della corrente di tunneling dalla distanza tra la punta e la superficie del campione è molto importante per il funzionamento del microscopio. Se il divario viene ridotto di soli 0,1 nm, la corrente aumenterà di circa 10 volte. Pertanto, anche irregolarità delle dimensioni di un atomo causano notevoli fluttuazioni nell'entità della corrente.
Per ottenere un'immagine, la sonda scansiona la superficie e il sistema elettronico legge la corrente. A seconda di come cambia questo valore, la punta scende o sale. Pertanto, il sistema mantiene costante il valore della corrente e la traiettoria del movimento della punta segue il rilievo della superficie, piegandosi attorno a colline e depressioni. La punta muove un piezoscanner, che è un manipolatore fatto di un materiale che può cambiare sotto l'influenza di una tensione elettrica. Uno scanner piezo è spesso sotto forma di un tubo con più elettrodi che si allunga o si piega, spostando la sonda in diverse direzioni con una precisione di millesimi di nanometro. Le informazioni sul movimento della punta vengono convertite in un'immagine della superficie, che viene costruita punto per punto sullo schermo. Per chiarezza, le sezioni di diverse altezze sono dipinte in diversi colori. Idealmente, dovrebbe esserci un atomo immobile all'estremità della punta della sonda. Se ci sono più sporgenze all'estremità dell'ago, l'immagine può raddoppiare o triplicare. Per eliminare il difetto, l'ago viene inciso in acido, dandogli la forma desiderata. Con l'aiuto di un microscopio tunnel, sono state fatte numerose scoperte. Ad esempio, hanno scoperto che gli atomi sulla superficie del cristallo sono disposti in modo diverso rispetto all'interno e spesso formano strutture complesse. Con l'aiuto di un microscopio a effetto tunnel si possono studiare solo oggetti conduttivi. Tuttavia, consente anche di osservare sottili dielettrici sotto forma di pellicola quando sono posti sulla superficie di un materiale conduttore. E sebbene questo effetto non sia stato ancora completamente spiegato, tuttavia viene utilizzato con successo per studiare molti film organici e oggetti biologici: proteine, virus. Le possibilità del microscopio sono grandi. Con l'aiuto di un ago da microscopio, i disegni vengono applicati anche su lastre di metallo. Per fare ciò, atomi separati vengono utilizzati come materiale di "scrittura": vengono depositati sulla superficie o rimossi da essa. Così, nel 1991, i dipendenti IBM hanno scritto atomi di xeno sulla superficie di una lastra di nichel con il nome della loro azienda: IBM. La lettera "I" era composta da soli 9 atomi e le lettere "B" e "M" - 13 atomi ciascuna. Il passo successivo nello sviluppo della microscopia a scansione di sonda è stato compiuto nel 1986 da Binning, Kveit e Gerber. Hanno creato il microscopio a forza atomica. Se in un microscopio a tunnel il ruolo decisivo è giocato dalla forte dipendenza della corrente di tunneling dalla distanza tra la sonda e il campione, allora per il microscopio a forza atomica la dipendenza della forza di interazione dei corpi dalla distanza tra di loro è di importanza decisiva. La sonda di un microscopio a forza atomica è una piastra elastica in miniatura, un cantilever. Inoltre, una delle sue estremità è fissa, mentre all'altra estremità una punta di sondaggio è formata da un materiale solido: silicio o nitruro di silicio. Quando la sonda viene spostata, le forze di interazione tra i suoi atomi e la superficie irregolare del campione piegheranno la piastra. Realizzando tale movimento della sonda, quando la deflessione rimane costante, è possibile ottenere un'immagine del profilo della superficie. Questa modalità di funzionamento del microscopio, denominata modalità di contatto, consente di misurare, con una risoluzione di frazioni di nanometro, non solo il rilievo, ma anche la forza di attrito, l'elasticità e la viscosità dell'oggetto in studio. La scansione a contatto con il campione porta molto spesso alla sua deformazione e distruzione. L'impatto della sonda sulla superficie può essere utile, ad esempio, nella fabbricazione di microcircuiti. Tuttavia, la sonda può facilmente rompere il sottile film polimerico o danneggiare il batterio, provocandone la morte. Per evitare ciò, il cantilever viene portato in oscillazioni risonanti vicino alla superficie e viene registrata la variazione di ampiezza, frequenza o fase delle oscillazioni causate dall'interazione con la superficie. Questo metodo permette di studiare i microbi viventi: un ago oscillante agisce su un batterio come un leggero massaggio, senza causare danni, e permette di osservarne il movimento, la crescita e la divisione. Nel 1987, I. Martin e K. Vikrama-singh (USA) hanno suggerito di utilizzare un microago magnetizzato come punta di sondaggio. Il risultato è stato un microscopio a forza magnetica. Un tale microscopio consente di vedere singole regioni magnetiche nel materiale - domini - fino a 10 nm di dimensione. Viene anche utilizzato per la registrazione ultra-densa di informazioni formando domini sulla superficie della pellicola utilizzando i campi di un ago e un magnete permanente. Tale registrazione è centinaia di volte più densa rispetto ai moderni dischi magnetici e ottici. Nel mercato mondiale della micromeccanica, gestito da giganti come IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, c'era posto anche per la Russia. La voce della piccola ditta MDT di Zelenograd vicino a Mosca si sente sempre più forte. "Copiaciamo su un piatto, 10 volte più piccolo di un capello umano, un disegno rupestre realizzato dai nostri lontani antenati", suggerisce Denis Shabratov, capo tecnologo. Lungo la "tela", e dove tocca, una macchia delle dimensioni di un Appare l'atomo. A poco a poco, sullo schermo appare un cervo, seguito da cavalieri." MDT è l'unico produttore di microscopi e sonde per sonde nel paese. Lei è uno dei quattro leader mondiali. I prodotti dell'azienda vengono acquistati negli Stati Uniti, in Giappone, in Europa. E tutto è iniziato con il fatto che Denis Shabratov e Arkady Gologanov, giovani ingegneri di uno degli istituti di Zelenograd in crisi, pensando a come vivere, hanno scelto la micromeccanica. Loro, non senza ragione, la consideravano la direzione più promettente. "Non avevamo complessi che avremmo dovuto competere con concorrenti forti", ricorda Gologanov. "Certo, la nostra attrezzatura è inferiore a quelle importate, ma, d'altra parte, ci costringe a escogitare, usare il nostro cervello. E sicuramente non sono peggio con noi. ad arare più che a sufficienza. Abbiamo lavorato XNUMX ore su XNUMX, sette giorni su sette. La cosa più difficile non è stata nemmeno fare una sonda superminiaturizzata, ma venderla. Sappiamo che la nostra è la migliore del mondo, lo gridiamo su Internet, bombardiamo i clienti con i fax, in una parola, ci picchiamo le gambe come quella rana, - zero attenzione". Avendo appreso che uno dei leader nella produzione di microscopi, l'azienda giapponese Joyle, era alla ricerca di aghi di forma molto complessa, si sono resi conto che questa era la loro occasione. L'ordine è costato molto sforzo e nervi, ma ha ricevuto una miseria. Ma i soldi non erano la cosa principale - ora potevano dichiarare a squarciagola: il famoso "Joyle" è nostro cliente. Allo stesso modo, per quasi un anno e mezzo, MDT ha prodotto gratuitamente sonde speciali per il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti. E un nuovo grande nome è apparso nell'elenco dei clienti. "Ora il flusso degli ordini è tale che non possiamo più soddisfare tutti", afferma Shabratov. L'emergere della microscopia a scansione con sonda ha coinciso con successo con l'inizio del rapido sviluppo della tecnologia informatica, aprendo nuove possibilità per l'utilizzo dei microscopi a sonda. Nel 1998, presso il Center for Advanced Technologies (Mosca), è stato creato un modello del microscopio a sonda a scansione FemtoScan-001, anch'esso controllato tramite Internet. Ora, ovunque nel mondo, un ricercatore sarà in grado di lavorare su un microscopio e chiunque lo desideri potrà "guardare" nel microcosmo senza uscire dal computer. Oggi, tali microscopi sono utilizzati solo nella ricerca scientifica. Con il loro aiuto vengono fatte le scoperte più sensazionali in genetica e medicina, vengono creati materiali con proprietà sorprendenti. Tuttavia, si prevede una svolta nel prossimo futuro, principalmente in medicina e microelettronica. Appariranno microrobot, che consegneranno farmaci attraverso i vasi sanguigni direttamente agli organi malati, verranno creati supercomputer in miniatura. Autore: Musskiy SA
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