Основные разработчики нового устройства: Уолл (слева) и Чжу (фото Department of Energy Brookhaven National Laboratory). Специалисты корпорации Hitachi High Technologies и Национальной лаборатории Брукхэвен (Brookhaven National Laboratory – BNL) разработали новый сканирующий микроскоп, который позволяет снимать атомы одновременно на поверхности и в объёме образца. "Наши
знания о влиянии индивидуальных атомов на свойства нанообъектов и
процессы, происходящие в устройствах преобразования энергии, очень
сильно ограничиваются возможностями наблюдения за ними", — говорит один
из ведущих исследователей Имэй Чжу (Yimei Zhu) в пресс-релизе
BNL. Как известно, для понимания многих реакций недостаточно "видеть"
только объём материала. Его поверхность, где собственно и происходит
взаимодействие, важна не меньше. Именно
этого объединения и добились разработчики новой машины, которая
расположилась на территории Центра функциональных наноматериалов (Center for Functional Nanomaterials). Как
и все сканирующие электронные микроскопы, новый инструмент освещает
образец пучком электронов, сфокусированным на небольшой точке, затем
детекторы ловят испущенные материалом вторичные электроны. Полученные
данные позволяют определить структуру поверхности и топографию образца. Но
теперь исследователи разместили детекторы как перед образцом, так и за
ним. Второй набор регистрирует электроны, прошедшие через толщу
изучаемого материала, благодаря чему появляется возможность построить
внутреннюю структуру (получается как бы помесь сканирующего и
просвечивающего электронных микроскопов). Учёные
применили в новинке ряд усовершенствований. В частности, оригинальную
систему коррекции сферической аберрации. Дополнения привели к
увеличению разрешающей способности исходного прибора в четыре раза (до
одной десятой нанометра), то есть теперь у машины появилась возможность
делать изображения, на которых можно различить отдельные атомы. "Эффект
похож на тот, что получается при использовании большей линзы в
фотоаппарате: данных собирается больше и они при этом фокусируются на
меньшей площади", — поясняет биофизик Джозеф Уолл (Joseph Wall), один из авторов разработки, описывающих её в статье в журнале Nature Materials.
| Для
демонстрации возможностей нового прибора учёные провели съёмку
отдельных атомов урана (обведены кружками) на поверхности тонкой
подложки из углерода. Вверху: изображение, полученное в прошедших через
образец электронах. Внизу: изображение поверхности образца. По центру:
объединённая картина (объём – красным, поверхность – зелёным). Атомы,
которые не видны на нижнем снимке, находятся на нижней стороне
углеродной подложки (фото Department of Energy Brookhaven National
Laboratory). |
"Информация, полученная с
помощью нового устройства, позволит больше узнать о расположении атомов
и активных центров, разглядеть небольшие вариации состава и положение
дефектов кристаллической структуры образца. Все эти показатели
значительно влияют на свойства материалов и их реакции друг с
другом", — добавляет Чжу. Действительно,
такая двойная съёмка помогает учёным лучше понять полную картину
происходящего, например, как взаимодействуют атомы поверхности и объёма
во время каталитической реакции. Для
нормальной работы столь чувствительного прибора, конечно же,
понадобились особые условия. Чтобы изолировать новый микроскоп от
вибраций, перепадов температуры и даже слабых электромагнитных полей,
его поместили в особую комнату. В
ней все 24 часа температура регулируется вплоть до сотых долей градуса
Цельсия, амортизирующие пластины защищают прибор от проезжающих вдали
грузовиков и хлопающих дверей, обычная система вентиляции заменена на
охлаждающие воздух панели. "Всё здание является своего рода
технологическим шедевром. Микроскоп просто не смог бы работать в других
условиях", — поясняет Чжу. Заметим,
разрешение в 0,1 нанометра является одним из лучших показателей для
электронных микроскопов, но вдвое уступает достижению аппарата Titan. Узнайте также о том, как благодаря новым разработкам учёным удалось отснять скрытые атомы, вращающийся рост нанотрубок и анатомию молекулы.
|