Stepan Lisovsky, PhD-student aan MIPT, een medewerker van de afdeling Nanometrologie en Nanomaterialen, vertelt over de basisprincipes van nanometrologie en de functies van verschillende microscopen en legt uit waarom de deeltjesgrootte afhangt van de manier waarop deze wordt gemeten.
Referentie-denken
Om te beginnen - over eenvoudige metrologie. Als discipline had het in de oudheid kunnen ontstaan, waarna velen ruzie maakten over de maatregel - van Pythagoras tot Aristoteles - maar het kwam niet voor. Metrologie maakte geen deel uit van het wetenschappelijke beeld van de wereld van die tijd vanwege dezelfde Aristoteles. Vele eeuwen lang stelde hij de prioriteit vast van een kwalitatieve beschrijving van verschijnselen boven een kwantitatieve. Alles veranderde pas in de tijd van Newton. De betekenis van verschijnselen "volgens Aristoteles" bevredigde wetenschappers niet langer en de nadruk verschoof - van het semantische deel van de beschrijving naar het syntactische deel. Simpel gezegd, er werd besloten om te kijken naar de mate en mate van interacties tussen dingen, en niet te proberen de essentie ervan te begrijpen. En het bleek veel vruchtbaarder te zijn. Toen kwam het beste uur van de metrologie.
De belangrijkste taak van metrologie is om de uniformiteit van metingen te waarborgen. Het belangrijkste doel is om het meetresultaat los te koppelen van alle bijzonderheden: tijd, plaats van meting, van wie er meet en hoe hij besluit het vandaag te doen. Dientengevolge zou er alleen dat moeten blijven dat altijd en overal, ongeacht wat dan ook, tot de dingen zal behoren - de objectieve maatstaf ervan, die haar toebehoort op grond van de realiteit die voor iedereen gemeenschappelijk is. Hoe kom je bij het ding? Door zijn interactie met het meetinstrument. Hiervoor moet er een uniforme meetmethode zijn, evenals een standaard, die voor iedereen hetzelfde is.
We hebben dus geleerd te meten - het enige dat overblijft is dat alle andere mensen in de wereld meten op dezelfde manier als wij. Dit vereist dat ze allemaal dezelfde methode en dezelfde standaarden gebruiken. Mensen beseften al snel de praktische voordelen van de invoering van één systeem van maatregelen en kwamen overeen om te beginnen met onderhandelen. Het metrieke stelsel van metingen verscheen, dat zich geleidelijk over bijna de hele wereld verspreidde. In Rusland is de verdienste van de introductie van metrologische ondersteuning trouwens aan Dmitry Mendeleev.
Het meetresultaat is naast de werkelijke waarde van de grootheid ook een benadering uitgedrukt in meeteenheden. Een gemeten meter zal dus nooit een Newton worden en een ohm zal nooit een tesla worden. Dat wil zeggen, verschillende grootheden impliceren een andere aard van de meting, maar dit is natuurlijk niet altijd het geval. Een meter draad blijkt een meter te zijn, zowel in termen van zijn ruimtelijke kenmerken, als in termen van geleidbaarheid, als in termen van de massa van de stof erin. Eén grootheid is betrokken bij verschillende verschijnselen, en dit vergemakkelijkt het werk van een metroloog enorm. Zelfs energie en massa bleken tot op zekere hoogte equivalent te zijn, daarom wordt de massa van superzware deeltjes gemeten in termen van de energie die nodig is om het te maken.
Promotie video:
Naast de waarde van de hoeveelheid en de maateenheid, zijn er nog een aantal belangrijke factoren die u over elke meting moet weten. Ze zijn allemaal vervat in een specifieke meettechniek die is gekozen voor het geval dat we nodig hebben. Alles staat erin: standaardmonsters en de nauwkeurigheidsklasse van instrumenten, en zelfs de kwalificaties van onderzoekers. Wetende hoe we dit allemaal moeten bieden, kunnen we op basis van de methodologie de juiste metingen uitvoeren. Uiteindelijk geeft de toepassing van de techniek ons gegarandeerde afmetingen van de meetfout en wordt het hele meetresultaat teruggebracht tot twee getallen: de waarde en de fout, waar wetenschappers meestal mee werken.
Meet het onzichtbare
Nanometrologie werkt volgens vrijwel dezelfde wetten. Maar er zijn een paar nuances die niet kunnen worden genegeerd. Om ze te begrijpen, moet u de processen van de nanowereld begrijpen en begrijpen wat in feite hun kenmerk is. Met andere woorden, wat is er zo speciaal aan nanotechnologie.
We moeten natuurlijk beginnen met de afmetingen: een nanometer per meter is ongeveer hetzelfde als een Chinees in de Chinese bevolking. Deze schaal (minder dan 100 nm) laat een hele reeks nieuwe effecten toe. Hier de effecten van kwantumfysica, waaronder tunneling en interactie met moleculaire systemen, en biologische activiteit en compatibiliteit, en een overontwikkeld oppervlak, waarvan het volume (meer bepaald de laag aan het oppervlak) vergelijkbaar is met het totale volume van het nano-object zelf. Deze eigenschappen bieden een schat aan kansen voor de nanotechnoloog en tegelijkertijd de vloek van de nanometroloog. Waarom?
Het punt is dat, vanwege de aanwezigheid van speciale effecten, nano-objecten volledig nieuwe benaderingen vereisen. Ze kunnen niet optisch in klassieke zin worden gezien vanwege de fundamentele beperking van de resolutie die kan worden bereikt. Omdat het strikt gebonden is aan de golflengte van zichtbare straling (je kunt interferentie gebruiken enzovoort, maar dit is allemaal al exotisch). Er zijn verschillende basisoplossingen voor dit probleem.
Het begon allemaal met een auto-elektronische projector (1936), die later werd omgebouwd tot een auto-ionische projector (1951). Het principe van zijn werking is gebaseerd op de rechtlijnige beweging van elektronen en ionen onder invloed van een elektrostatische kracht gericht van de kathode op nanoschaal naar het anodescherm van de macroscopische afmetingen die we nodig hebben. Het beeld dat we op het scherm waarnemen, wordt gevormd op of nabij de kathode door bepaalde fysische en chemische processen. Allereerst is dit de extractie van veldelektronen uit de atomaire structuur van de kathode en de polarisatie van atomen van het "beeldvormende" gas nabij de kathodepunt. Nadat het beeld is gevormd, wordt het beeld in de vorm van een bepaalde verdeling van ionen of elektronen op het scherm geprojecteerd, waar het zich manifesteert door de krachten van fluorescentie. Op deze elegante manier kun je kijken naar de nanostructuur van de tips gemaakt van bepaalde metalen en halfgeleiders,maar de elegantie van de oplossing hier is gebonden aan te strikte beperkingen van wat we kunnen zien, dus deze projectoren zijn niet erg populair geworden.
Een andere oplossing was de letterlijke betekenis van het oppervlak, voor het eerst gerealiseerd in 1981 in de vorm van een scanning-sondemicroscoop, die in 1986 de Nobelprijs kreeg. Zoals de naam al aangeeft, wordt het te onderzoeken oppervlak gescand met een sonde, een puntige naald.
Scanning Probe Microscoop
© Max Planck Instituut voor onderzoek naar vaste stoffen
Er treedt een interactie op tussen de punt en de oppervlaktestructuur, die met hoge nauwkeurigheid kan worden bepaald, zelfs door de kracht die op de sonde inwerkt, zelfs door de optredende afbuiging van de sonde, zelfs door de verandering in de frequentie (fase, amplitude) van de oscillaties van de sonde. De initiële interactie, die het vermogen bepaalt om bijna elk object te onderzoeken, dat wil zeggen de universaliteit van de methode, is gebaseerd op de afstotende kracht die voortkomt uit contact en op van der Waals-krachten over lange afstand. Het is mogelijk om andere krachten te gebruiken, en zelfs de opkomende tunnelstroom, om het oppervlak niet alleen in kaart te brengen in termen van de ruimtelijke locatie op het oppervlak van nano-objecten, maar ook hun andere eigenschappen. Het is belangrijk dat de sonde zelf nanoschaal is, anders scant de sonde het oppervlak niet,en het oppervlak is een sonde (op grond van de derde wet van Newton wordt de interactie bepaald door beide objecten en in zekere zin symmetrisch). Maar over het geheel genomen bleek deze methode zowel universeel te zijn als de meest uiteenlopende mogelijkheden te bezitten, dus werd het een van de belangrijkste in de studie van nanostructuren. Het belangrijkste nadeel is dat het extreem tijdrovend is, vooral in vergelijking met elektronenmicroscopen.
Elektronenmicroscopen zijn overigens ook sondemicroscopen, alleen een gefocusseerde elektronenstraal werkt daarin als een sonde. Het gebruik van een lenssysteem maakt het conceptueel vergelijkbaar met optisch, maar niet zonder grote verschillen. Allereerst: een elektron heeft een kortere golflengte dan een foton, vanwege zijn massaliteit. De golflengten behoren hier natuurlijk niet tot de deeltjes, het elektron en het foton, maar karakteriseren het gedrag van de golven die daarmee overeenkomen. Nog een belangrijk verschil: de interactie van lichamen met fotonen en met elektronen is heel anders, hoewel niet zonder gemeenschappelijke kenmerken. In sommige gevallen is de informatie die wordt verkregen door interactie met elektronen zelfs nog betekenisvoller dan door interactie met licht, maar de tegenovergestelde situatie is niet ongebruikelijk.
En het laatste waar je op moet letten is het verschil in optische systemen: als materiële lichamen traditioneel lenzen voor licht zijn, dan zijn dit voor elektronenbundels elektromagnetische velden, waardoor er meer vrijheid is om elektronen te manipuleren. Dit is het 'geheim' van rasterelektronenmicroscopen, het beeld waarop, hoewel het lijkt alsof het is verkregen met een gewone lichtmicroscoop, alleen zo is gemaakt voor het gemak van de operator, maar wordt verkregen door een computeranalyse van de kenmerken van de interactie van een elektronenbundel met een afzonderlijk raster (pixel) op monsters die vervolgens worden gescand. De interactie van elektronen met een lichaam maakt het mogelijk om een oppervlak in kaart te brengen in termen van reliëf, chemische samenstelling en zelfs luminescentie-eigenschappen. Elektronenbundels kunnen door dunne monsters gaan,waarmee je de interne structuur van dergelijke objecten kunt zien - tot aan atomaire lagen.
Dit zijn de belangrijkste methoden om de geometrie van objecten op nanoschaal te onderscheiden en te onderzoeken. Er zijn andere, maar ze werken met hele systemen van nano-objecten, waarbij ze hun parameters statistisch berekenen. Hier is de röntgendiffractometrie van poeders, waarmee je niet alleen de fasesamenstelling van het poeder kunt achterhalen, maar ook iets over de grootteverdeling van kristallen; en ellipsometrie, die de dikte van dunne films kenmerkt (iets dat onvervangbaar is bij het maken van elektronica, waarbij de architectuur van systemen voornamelijk in lagen wordt gemaakt); en gassorptiemethoden voor de analyse van een specifiek oppervlak. De taal kan worden doorbroken met de namen van sommige methoden: dynamische lichtverstrooiing, elektro-akoestische spectroscopie, nucleaire magnetische resonantie-relaxometrie (het wordt echter gewoon NMR-relaxometrie genoemd).
Maar dat is niet alles. Zo kan een lading worden overgedragen op een nanodeeltje dat in lucht beweegt, waarna een elektrostatisch veld kan worden ingeschakeld en, afhankelijk van hoe het deeltje wordt afgebogen, de aërodynamische grootte kan worden berekend (de wrijvingskracht tegen lucht hangt af van de deeltjesgrootte). Overigens wordt op een vergelijkbare manier de grootte van nanodeeltjes bepaald in de reeds genoemde methode van dynamische lichtverstrooiing, alleen de snelheid in de Brownse beweging wordt geanalyseerd, en bovendien indirect, van fluctuaties in lichtverstrooiing. De hydrodynamische deeltjesdiameter wordt verkregen. En er zijn meer dan één van zulke "slimme" methoden.
Zo'n overvloed aan methoden die hetzelfde lijken te meten - grootte, heeft een interessant detail. De waarde van de grootte van een en hetzelfde nano-object verschilt vaak, soms zelfs.
Welke maat is correct?
Het is tijd om de gewone metrologie in herinnering te roepen: de meetresultaten worden, naast de werkelijke meetwaarde, ook bepaald door de meetnauwkeurigheid en de methode waarmee de meting is uitgevoerd. Dienovereenkomstig kan het verschil in de resultaten worden verklaard door zowel verschillende nauwkeurigheid als de verschillende aard van de gemeten waarden. Het proefschrift over de verschillende aard van verschillende groottes van hetzelfde nanodeeltje lijkt misschien wild, maar dat is het toch. De grootte van een nanodeeltje in termen van zijn gedrag in een waterige dispersie is niet hetzelfde als zijn grootte in termen van adsorptie van gassen op zijn oppervlak en is niet hetzelfde als zijn grootte in termen van interactie met een elektronenbundel in een microscoop. Om nog maar te zwijgen van het feit dat het voor statistische methoden ook onmogelijk is om over een bepaalde grootte te spreken, maar alleen over een waarde die de grootte kenmerkt. Maar ondanks deze verschillen (of zelfs dankzij hen), kunnen al deze resultaten als even waar worden beschouwd, door gewoon een beetje over verschillende dingen te zeggen, vanuit verschillende hoeken te kijken. Deze resultaten kunnen echter alleen worden vergeleken vanuit het oogpunt van de geschiktheid om er in bepaalde situaties op te vertrouwen: om het gedrag van een nanodeeltje in een vloeistof te voorspellen, is het beter om de waarde van de hydrodynamische diameter te gebruiken, enzovoort.
Al het bovenstaande geldt voor conventionele metrologie en zelfs voor alle feiten, maar dit wordt vaak over het hoofd gezien. We kunnen zeggen dat er geen feiten zijn die meer waar en minder waar zijn, meer consistent met de werkelijkheid en minder (behalve misschien vervalsing), maar er zijn alleen feiten die meer en minder geschikt zijn voor gebruik in een bepaalde situatie, en ook gebaseerd zijn op meer en minder de juiste interpretatie hiervoor. Filosofen hebben dit goed geleerd sinds de tijd van het positivisme: elk feit is theoretisch geladen.