Czy atomy mogą być piękne?

Transkrypt

1 Krzysztof Matus Doktorant w Instytucie Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska Czy atomy mogą być piękne? W czasach, gdy ciągły rozwój nauki połączony jest z pojawiającymi się każdego dnia nowinkami technologicznymi, zapominamy o pięknie, które nas otacza. Wszystko dookoła nas, od najmniejszych wirusów do najwyższych budynków, zbudowane jest z malutkich cząstek zwanych atomami. To one łącząc się i oddziałując ze sobą, tworzą cały znany nam świat. Myśląc o atomach, większość z nas widzi malutkie kuleczki. To uproszczenie, które zawdzięczamy pewnemu Grekowi o imieniu Demokryt, jest wystarczające dla większości eksperymentów myślowych. Czy możemy zobaczyć atomy? Tak, jednak nie możemy wykorzystywać do tego celu światła widzialnego, tylko cząstki mniejsze nawet od samych atomów. A z dostępnych nam trzech, czyli protonów, neutronów i elektronów, najłatwiej manipulować tymi ostatnimi. A zatem wiemy, że potrzebujemy elektronów, teraz tylko musimy je kontrolować. Urządzeniem, które wykorzystamy, będzie mikroskop, w końcu chcemy zobaczyć coś bardzo małego. Wykorzystamy elektrony, zatem będzie to mikroskop elektronowy, a najlepszą rozdzielczość gwarantuje nam mikroskop transmisyjny. Czyli użyjemy do obserwacji transmisyjnego mikroskopu elektronowego i kilku próbek, które poddamy obserwacji. Chcemy przecież zobaczyć, co atomy robią cały czas. Przekonajmy się zatem, czy atomy mogą być piękne? W celu zobaczenia atomów musimy wykorzystać, jak już ustaliliśmy, transmisyjny mikroskop elektronowy (z ang. TEM Transmission electron microscope), w którym wiązka elektronów przenika przez próbkę. Pozwoli to nam na uzyskanie szczegółowych informacji o jej strukturze wewnętrznej, w tym nawet informacji o położeniu atomów w próbce. Jednak z uwagi na bardzo duże straty energii w czasie przenikania elektronów przez próbkę, badany materiał musi być cienki (około nm). Wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy, na którym wykonano badania, przedstawiono na rysunku 1.

2 Rysunek 1. Wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy S/TEM TITAN firmy FEI Obraz naszych atomów, które tak bardzo chcemy zobaczyć, bo jak inaczej ocenimy, czy są piękne, uzyskiwany w transmisyjnych mikroskopach elektronowych jest wynikiem oddziaływania naszej próbki z padającą na nią wiązkę elektronów. Elektrony, których używamy, ulegają ugięciu (co w rzeczywistości oznacza zmianę kierunku ich ruchu) na płaszczyznach atomowych próbki, nie tracąc przy tym energii. Można to porównać do zmiany pasa ruchu na autostradzie w celu uniknięcia robót drogowych. Jest kilka parametrów, które wpływają na powstający obraz, takich jak zbieżność, intensywność i kąt padania wiązki. Uzyskiwane obrazy mogą się również różnić w zależności od grubości preparatu oraz stopnia wzbudzenia poszczególnych soczewek w mikroskopie. W transmisyjnej mikroskopii elektronowej możliwe jest uzyskiwanie wielu rożnych rodzajów obrazów i wyników badań. W celu zrozumienia uzyskanych wyników musimy wiedzieć, jaki typ obrazu uzyskujemy i jak on powstaje. Na rysunku 2 przedstawiono drogę elektronów w czasie obrazowania w tak zwanym polu jasnym. Obserwacje są wykonywane w celu uzyskania obrazu struktury, który jest tworzony

3 przez wiązkę nieugiętą, natomiast za kontrast odpowiadają wiązki ugięte, które zostały zatrzymane przez przesłonę obiektywu i nie biorą udziału w tworzeniu obrazu. Obraz jest następnie powiększany przez soczewkę pośrednią i projekcyjną, miejsca ciemniejsze to te, na których nastąpiło ugięcie wiązki elektronów pod kątem większym od kąta apertury obiektywu. Rysunek 2. Droga elektronów w obrazowaniu w polu jasnym Do obserwacji w polu ciemnym wykorzystuje się jedną z wiązek ugiętych. Wybraną wiązkę ugiętą przepuszcza się przez aperturę przesłony obiektywu, natomiast pozostałe wiązki ugięte oraz wiązka nieugięta są przez nią zatrzymane i nie biorą udziału w tworzeniu obrazu. Wybór wiązki ugiętej przez przesłonę obiektywu może zostać zrealizowany dwiema metodami: 1. elektromagnetyczne odchylenie wiązki pierwotnej w taki sposób, aby wiązka ugięta była osiowa z obiektywem, 2. przesunięcie apertury przesłony obiektywu na wybrany refleks (jednak ta metoda jest obarczona większym błędem z uwagi na nieosiowość wiązki ugiętej i obiektywu). Wykorzystanie obserwacji w polu ciemnym pozwala na określenie, które obszary analizowanej struktury mają podobne odległości międzypłaszczyznowe i są zorientowane względem wiązki elektronów w bardzo zbliżony sposób. Obrazy w polu ciemnym charakteryzują się bardzo wysokim kontrastem. Na czarnym tle wyróżniają się białe obszary, które zostały utworzone przez wiązkę ugiętą. Drogę elektronów w czasie obrazowania w polu jasnym przedstawiono na rysunku 3.

4 Rysunek 3. Droga elektronów w obrazowaniu w polu ciemnym z przesunięciem przesłony obiektywu Porównując dotychczas przedstawione metody uzyskania obrazu, można się zastanowić, co tak naprawdę widać na zdjęciach wykonanych tą metodą. Spójrzmy zatem na rysunek 4. Badania w polu jasnym pozwoliły ocenić, iż badany obszar materiału składa się z kilku ziaren rozdzielonych granicami. Cechują się one podobnymi rozmiarami, co jest dobre dla materiału w aspekcie makroskopowym i własności mechanicznych (wytrzymałościowych) wytworzonych tego materiału elementów. Natomiast obraz w polu ciemnym, a dokładniej te jasne obszary materiału w tym obrazie, pozwalają stwierdzić, iż materiał cechuje się stosunkowo niskimi naprężeniami, co również jest dobre, ponieważ materiał nie zacznie sam pękać. A teraz spójrzmy na skalę tych zdjęć. Biały marker odpowiada 200 nanometrom, dla porównania ludzki włos ma około 70 tysięcy nanometrów, co dobitnie pokazuje skalę dokonanych przez nas obserwacji.

5 Rysunek 4.Obraz w polu jasnym ( po lewej) i ciemnym ( po prawej) tego samego materiału przy tym samym powiększeniu. Dotychczas omówione obrazowania pozwalają na uzyskanie dużej ilości informacji o materiale, ale czy pozwalają na zobaczenie atomów? Niestety nie, w tym celu musimy skorzystać z wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM), która wykorzystuje zarówno wiązkę główną, jak i wiązki ugięte. Tworzenie obrazów HRTEM polega na interferencyjnym nakładaniu się wiązek elektronów, które mogą ulec zarówno wzmocnieniu, jak i wygaszeniu. Wiązka przechodząca ulega częściowemu rozproszeniu na próbce, kontrast powstaje wskutek odcięcia przez przesłonę elektronów rozproszonych. Taka sama zasada jest wykorzystywana w obserwacji w polu jasnym, co przedstawiono na rysunku 2. Wiązkę ugiętą charakteryzuje bardzo duży kontrast, co wynika z odcięcia elektronów z wiązki pierwotnej i wykorzystaniu do tworzeniu obrazu tylko elektronów ulegających dyfrakcji na danej fazie, jest to zgodne z obserwacją w polu ciemnym (rysunek 4). Interferencja wiązki pierwotnej z jedną wiązką ugiętą skutkuje obrazowaniem linii równoległych w jednym kierunku, oddalonych o odległość międzypłaszczyznową. W przypadku interferencji większej ilości wiązek ugiętych na obrazie są widoczne linie obrazujące płaszczyzny atomowe próbki, możliwym jest uzyskanie obrazu pojedynczych atomów. Schemat powstawania obrazu w HRTEM przedstawiono na rysunku 5.

6 Rysunek 5. Droga elektronów w obrazowaniu HRTEM. Czy możemy wykorzystać dotychczas zdobytą wiedzę i zobaczyć atomy? Czy ładne białe kropki widoczne na rys. 6. można uznać za atomy? Kształt jest prawidłowy. Myśląc o atomach, wyobrażamy sobie kulki, a zrobione przez nas zdjęcia są rzutami tych kulek na powierzchnię ekranu, czyli kropkami. Czy ich wielkość się zgadza? Pokazany na zdjęciu marker ma rozmiar 2 nanometrów, więc wielkość jednej kropki wynosi około 0,2 nanometra, co również jest zgodne ze stanem współczesnej wiedzy na temat atomów. Czyli nasze kropki mogą przedstawiać atomy, ale należy zachować ostrożność. Obraz wysokorozdzielczy powstaje w wyniku interferencji wiązki głównej z wiązkami ugiętymi. Wynik interferencji w tym przypadku, zależy od wielu czynników, między innymi od grubości próbki i ogniskowania soczewki. Dwa zdjęcia tej samej cząstki złota przedstawione na rysunku 7. dowodzą, że atomy mogą być zarówno białe, jak i czarne. Teraz możemy zadać pytanie, czy tak wyglądają wszystkie materiały? Generalnie tak, jeżeli w materiale nie ma żadnych wtrąceń czy wydzieleń, atomy będą się układać w sposób periodyczny. Oznacza to, że ułożenie atomów w dowolnie wybranych obszarach jest identyczne. Co natomiast w przypadku, gdy w materiale będzie kilka wydzieleń, które go umacniają, jak wtedy będzie wyglądał nasz materiał w skali atomowej?

7 Rysunek 6.Obraz wysokorozdzielczy próbki z rysunku 4. Rysunek 7. Obrazy wysokorozdzielcze cząstki złota uzyskane przy różnym ogniskowaniu soczewki obiektywowej. Żeby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wykorzystać wszystko, co do tej pory poznaliśmy, i zmienić kształt wiązki elektronów, którą wykorzystamy do badania naszej próbki, a w czasie badania będziemy przesuwać (skanować) wiązką po próbce z krokiem mniejszym nawet od średnicy atomu. Dzięki temu będziemy mogli wykorzystać elektrony ugięte pod dużymi kątami, czyli metoda ta jest podobna do obrazowania w polu ciemnym, ale zamiast wybierać jedną wiązkę ugiętą, wykorzystamy je wszystkie i nie wykorzystamy wiązki nieugiętej. Nazwiemy zatem ten tryb skaningową transmisyjną mikroskopią elektronową STEM. Dzięki temu uzyskane przez nas zdjęcie będzie charakteryzować się kontrastem chemicznym, to znaczy im cięższe atomy będą znajdować się w jakimś miejscu, tym uzyskana jasność obrazu będzie większa. Każdy jasny punkt na zdjęciu odpowiada atomowi.

8 Jest to dla tego typu obrazowania zawsze prawdą, z uwagi na inny sposób formowania obrazu niż w przypadku zdjęć HRTEM. Powinno teraz samo nasunąć się pytanie: dlaczego nie wykorzystujemy tej metody do wszystkich badań, skoro oprócz informacji podobnych do zdjęć HRTEM można uzyskać informacje o kontraście chemicznym. A odpowiedzią na to pytanie jest to, że w tym trybie obrazowania uzyskanie miarodajnych wyników jest dużo trudniejsze. Teraz spójrzmy na przykładowe zdjęcie wykonane w trybie skaningowym (rysunek 8.). Na zdjęciu widać trzy obszary o innym ułożeniu atomów. Każdy z tych obszarów odpowiada innemu wydzieleniu, oznacza to że ułożenie atomów w dowolnie wybranych obszarach jest identyczne. Czyli prawdą jest to, co ustaliliśmy wcześniej, tylko teraz, wybierając obszary do porównania, musimy pamiętać, żeby wybierać je zawsze z tego samego wydzielenia. Rysunek 8. Obraz STEM wydzieleń i osnowy Zatem czy atomy mogą być piękne? Otóż mogą, zwłaszcza uwzględniając, że w przedmiotach wykonanych z tych samych materiałów atomy wewnątrz nich zawsze będą się porządkować w ten sam sposób. Co pozwala na wyciągnięcie wniosku, że pomimo ciągłego chaosu drgań i ruchów, świat atomów ciał stałych jest uporządkowany i periodyczny.