Twoja wyszukiwarka

JAN KOZUBOWSKI
JAK WYGLĄDA ATOM
Wiedza i Życie nr 8/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1998

WYNALEZIENIE MIKROSKOPU ELEKTRONOWEGO OTWORZYŁO DROGĘ DO SKONSTRUOWANIA INSTRUMENTÓW, KTÓRE POZWALAJĄ OGLĄDAĆ POJEDYNCZE ATOMY.

Fot. Krzysztof Kaliński

W końcu XIX wieku Ernst Abbe, fizyk związany z firmą Zeiss, wyjaśnił przyczynę ograniczonej zdolności rozdzielczej mikroskopu optycznego: to dyfrakcja światła sprawiała, że obrazy sąsiadujących ze sobą szczegółów badanego preparatu zaczynały się ze sobą zlewać, gdy odległość między nimi stawała się bliska długości fali świetlnej. Mimo wszelkich wysiłków konstruktorów ograniczało to rozdzielczość mikroskopu optycznego do kilku dziesiątych mikrometra.

Przełom nastąpił w latach trzydziestych naszego stulecia, gdy do tworzenia obrazu badanego przedmiotu wykorzystano elektrony, których wiązki umiano już od początku naszego wieku wytwarzać i formować z pomocą elektrostatycznych czy elektromagnetycz-nych soczewek. W kwietniu 1931 roku Max Knoll i Ernst Ruska, stosując soczewki elektromagnetyczne, otrzymali pierwszy ostry obraz (w czterokrotnym powiększeniu!). Zaczęli się wówczas zastanawiać, czy przy użyciu takiego mikroskopu byłoby możliwe przekroczenie granicy rozdzielczości, jaką określił Abbe dla mikroskopu optycznego. Teoria de Broglie'a i weryfikacja falowej natury elektronów nie były im jeszcze znane. Jak wspomina Ruska: wziąwszy pod uwagę maleńkie rozmiary elektronu, wydawało nam się prawdopodobne, że granica rozdzielczości będzie mała w porównaniu z rozmiarami odległości międzyatomowych.

Knoll, ogłaszając publicznie, w dwa miesiące później, rezultaty pierwszych eksperymentów, unikał określenia "mikroskop elektronowy", aby go nie posądzono o nadmierną skłonność do reklamy. Ruska wspomina dalej: Jako inżynierowie, nie byliśmy świadomi hipotezy de Broglie'a aż do połowy 1932 roku (...) Nie przypominam sobie dziś pierwszych dyskusji z Knollem o tym nowym rodzaju fal, byłem zresztą rozczarowany, że znowu rozdzielczość ograniczona będzie własnościami falowymi. Szybko jednak pocieszyłem się, że te fale (dla energii elektronów rzędu 100 keV) będą miały długość fali o pięć rzędów wielkości mniejszą niż fale świetlne.

Spodziewano się, że mikroskop elektronowy pozwoli zobaczyć nawet pojedyncze atomy. Nie było to jednak takie proste, bo dla soczewek elektronowych nie dało się zastosować znanych dotychczas metod eliminacji wad soczewek. Soczewki takie nawet dziś, przy całym ich wyrafinowaniu technicznym, są z punktu widzenia optyka bardzo niedoskonałe i dobre obrazy można uzyskać tylko przy użyciu bardzo małych przesłon, a to pogarsza możliwą do uzyskania rozdzielczość. Musiało minąć kilka dziesiątków lat, zanim mikroskop elektronowy ujawnił atomową strukturę materiałów.

Przedmiotem ożywionej dyskusji w latach trzydziestych była również sprawa preparatów, które można by oglądać za pomocą mikroskopu elektronowego. Podobnie jak kineskopy i lampy elektronowe, wymagał on bowiem próżni, aby nic oprócz preparatu nie rozpraszało elektronów, a preparaty musiały być niezwykle cienkie, nie grubsze niż dziesiąte części mikrometra. Zdawano sobie sprawę, że nie ma mowy o oglądaniu żywych organizmów, a nawet martwe, jak sądzono, zostaną spalone przez wiązkę elektronów. Minęło ponad dziesięć lat, zanim nauczono się ciąć i utrwalać dostatecznie cienkie skrawki materiału biologicznego dla badań elektronomikroskopowych (przeciętną bakterię o rozmiarach 2 ľm trzeba było pokroić co najmniej na kilkanaście plasterków, a pchłę na kilka tysięcy!). Przygotowanie preparatów z materiałów krystalicznych, minerałów czy metali wydawało się początkowo w ogóle niemożliwe.

Nic więc dziwnego, że pierwsze obrazy ujawniające atomy w ciele stałym uzyskano przy użyciu innego przyrządu, tzw. mikroskopu jonowego (w 1951 roku) (patrz ramka obok). Nie było w nim soczewek, jedynie bardzo subtelne metalowe ostrze wykonane z badanego materiału, umieszczone w bańce szklanej opróżnionej z powietrza, a wypełnionej bardzo rozrzedzonym gazem szlachetnym. Naprzeciwko ostrza, na wewnętrznej stronie bańki szklanej, naniesiona była cienka warstewka luminoforu (substancji świecącej pod wpływem bombardowania jonami). Między ostrze a warstwę luminoforu przykładano napięcie około 2000 V. Atomy gazu, które podczas bezładnego ruchu znalazły się w pobliżu ostrza, ulegały jonizacji w polu elektrycznym, które osiągało tam bardzo duże natężenie. Wytworzone jony biegły po linii prostej do warstwy luminoforu, gdzie powodowały świecenie, dając informację o lokalnej konfiguracji atomów w miejscu swego powstania.

Napis IBM utworzony z atomów ksenonu zaadsorbowanych na atomowo gładkiej powierzchni kryształu niklu

Był to bardzo prosty przyrząd, a dostarczał fascynujących informacji, można było za jego pomocą dostrzec nie tylko regularny układ atomów na powierzchni kryształu, ale nawet "obce" atomy wbudowane w sieć krystaliczną badanego materiału. Nie stał się on jednak uniwersalnym narzędziem badawczym, głównie dlatego, że na ostrze działały w polu elektrycznym olbrzymie siły, tym większe, im było ono ostrzejsze. Do badań nadawały się więc dobrze jedynie materiały o bardzo dużej wytrzymałości i wysokiej temperaturze topienia, takie na przykład jak wolfram lub tantal. Do tego dochodziły trudności z przygotowaniem ostrza, trudne do pokonania w przypadku niejednorodnych materiałów.

Dopiero stosunkowo niedawno (w 1970 roku) udało się przy użyciu mikroskopów elektronowych zarejestrować pierwsze obrazy pojedynczych atomów i ich uporządkowanych układów - kryształów, których budowę atomową badano od kilkudziesięciu już lat metodami pośrednimi, głównie przy użyciu dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zapłacono za to jednak wysoką cenę. I nie chodzi tu jedynie o koszt urządzeń, choć przeciętny mikroskop elektronowy jest przeszło dwudziestokrotnie droższy od dobrego mikroskopu optycznego. Trzeba było również nauczyć się interpretowania uzyskiwanych obrazów. Pamiętajmy, że mikroskop optyczny wykorzystuje do tworzenia obrazu światło widzialne - te same fale, co nasze oko. Elektronów nie widzimy, tworzony za ich pomocą obraz uwidacznia się dopiero wskutek oddziaływania elektronów z emulsją fotograficzną lub luminoforem ekranu świecącym pod wpływem bombardowania elektronami. W dodatku, cechy tego obrazu, określone przez rozpraszanie elektronów na szczegółach struktury badanych obiektów, są zupełnie inne niż znanych ludziom obrazów tworzonych przez fale świetlne. Zasadniczą rolę w tym wypadku gra dyfrakcja elektronów, szczególnie istotna w obrazach struktur krystalicznych.

Obraz przekroju rzęsek pierwotniaka Chilodonella cucullulus zarejestrowany za pomocą TEM. Ciekawe jest to, że subtelna struktura rzęsek tego pierwotnego narządu ruchu okazała się taka sama u wszystkich organizmów, od pierwotniaków do naczelnych.

Aby uzyskać taki obraz, pierwotniaka trzeba utrwalić, wodę zastąpić najpierw alkoholem, a potem żywicą epoksydową, utwardzić, pokroić na plasterki o grubości około 0.05 mikrometra, umieścić na siateczkach miedzianych, zanurzyć w roztworze zwiększającym kontrast, wysuszyć i włożyć do mikroskopu elektronowego. Jest to skomplikowana procedura, której opracowanie zajęło wiele lat, a którą dziś rutynowo stosują biolodzy i lekarze zajmujący się badaniami mikroorganizmów i tkanek dla celów badawczych i diagnostycznych

Fot. J. Kozubowski, M. Sołtyńska

Potrzeba było następnych dwudziestu kilku lat od czasów zbudowania pierwszych mikroskopów elektronowych, aby opracować odpowiednie metody interpretacji, oparte na teorii kontrastu uzyskiwanych w ten sposób obrazów, a także nauczyć się trudnej sztuki przygotowywania niezwykle cienkich preparatów bez zniszczenia pierwotnej struktury. Ten trud przyniósł jednak znakomite rezultaty.

W biologii pozwolił zbadać strukturę komórki aż do najdrobniejszych jej elementów. Dziś, sięgając poziomu makrocząsteczkowego, umożliwia poznanie szczegółów budowy bakterii i wirusów, a dzięki zastosowaniu odpowiednich "znaczników" ujawnia lokalizację enzymów i przeciwciał w strukturach komórkowych. Natomiast w badaniu materiałów stosowanych w technice pozwolił na szczegółowe analizy defektów struktury krystalicznej decydujących o różnych własnościach materiałów, nie tylko o ich wytrzymałości mechanicznej czy odporności na zużycie, ale również o własnościach optycznych czy magnetycznych.

Mikroskop elektronowy przyczynił się oczywiście do rozwoju współczesnej elektroniki poprzez badania materiałów, z których ona korzysta, ale też sam z niej korzystał, stając się uniwersalnym, wielofunkcyjnym przyrządem analitycznym. Postęp w elektronice umożliwił również realizację oryginalnego pomysłu Manfreda von Ardenne'a z 1938 roku - elektronowego mikroskopu skaningowego. Zasada jego działania jest zupełnie inna od dotychczasowej (patrz: ramka). W mikroskopie skaningowym soczewki nie uczestniczą w tworzeniu obrazu, który cechuje się dodatkowo nieosiągalną w mikroskopie optycznym głębią ostrości. Jest to czysto elektroniczny obraz, podobnie jak jest nim, na przykład, obraz radarowy. Mamy przy tym do wyboru różne obrazy tej samej powierzchni - obraz elektronowy, rentgenowski lub świetlny, zależnie od detektora wtórnego promieniowania wybranego do tworzenia obrazu.

Obrazy te nie są takie same, łącznie dostarczają jednak znacznie więcej informacji o badanej próbce niż każdy z nich z osobna. O ile obraz elektronowy ujawnia głównie nierówności powierzchni, jej geometrię, to obraz rentgenowski pozwala dokonać analizy chemicznej, mówiącej nie tylko o tym, z jakich atomów składa się próbka, ale także o tym, jak te składniki są rozmieszczone. A przy tym rozmiary analizowanych obiektów są prawdziwie mikroskopijne.

Za pomocą takiego mikroskopu można analizować skład drobinek, których masa nie przekracza 10-12 g. Nasze codzienne doświadczenie nie pozwala nam nawet zorientować się, jak mała jest ta liczba, tym niemniej podobne drobinki (np. włókienka azbestowe) wdychane w ulicznym kurzu mogą wywoływać groźne choroby płuc. Zmiany struktury zachodzące w tak małych obszarach decydują często o wytrzymałości materiału konstrukcyjnego czy o magnetycznych własnościach materiału użytego do budowy głowicy magnetowidu.

Obraz w mikroskopie skaningowym nie jest statyczny, powstaje punkt po punkcie, odzwierciedlając sygnały z detektora. Umożliwia to różnego rodzaju ilościowe analizy takiego obrazu i jego przekształcenia, na przykład nadanie barw odpowiednim odcieniom szarości. W innej skali przykłady takich elektronicznych transformacji obrazu dostarcza film science fiction czy grafika komputerowa. Elektronowe mikroskopy skaningowe, choć umożliwiają jedynie oglądanie i analizę powierzchni próbek, stały się jednak ze względu na uproszczoną preparatykę najpopularniejszym rodzajem mikroskopu elektronowego, stosowanym nie tylko w laboratoriach wyższych uczelni, ale również w instytutach przemysłowych i mikrobiologicznych. Korzystają z nich naukowcy, ale także pracownicy tak różnych dziedzin, jak kryminalistyka, przemysł papierniczy czy archeologia.

Defekty struktury krystalicznej (dyslokacje i granica między dwoma ziarnami polikryształu) widoczne na obrazie uzyskanym za pomocą TEM. Aby uzyskać taki obraz, trzeba najpierw przygotować dostatecznie cienką próbkę z badanego materiału. W tym przypadku (stali nierdzewnej) w końcowej fazie preparatyki zastosowano elektropolerowanie - proces kontrolowanego rozpuszczania próbki w elektrolicie. Defekty deformują strukturę krystaliczną, co zmienia lokalnie warunki dyfrakcji elektronów przechodzących przez próbkę. Prowadzi to do zróżnicowania kontrastu obrazu. Odcinki dyslokacji znajdujące się pomiędzy obu powierzchniami cienkiej próbki widoczne są jako ciemne falujące linie (obraz jest rzutem przestrzennej struktury na płaszczyznę). Przecinająca obie powierzchnie próbki granica ziaren odwzorowana jest jako obszar z rozmytymi ciemnymi prążkami (prążki są wynikiem interferencji fal elektronowych w klinowym obszarze jednego z ziaren, podobnie jak prążki Newtona są wynikiem intereferencji fal świetlnych - widzimy więc tu bezpośrednio efekt falowej natury elektronów!). W obszarze granicy widoczne są też inne dyslokacje

Fot. J.A. Kozubowski

Otwarciem kolejnych drzwi do mikroświata było skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego w latach osiemdziesiątych, uwieńczone w 1986 ro- ku Nagrodą Nobla, którą podzielili się jego młodzi odkrywcy Gerd Binning i Heinrich Röhrer z laboratorium firmy IBM w Zurychu oraz wiekowy już Ernst Ruska, konstruktor pierwszych mikroskopów elektronowych w latach trzydziestych. Zasada działania mikroskopu tunelowego o tyle przypomina skaningowy mikroskop elektronowy, że po powierzchni próbki, a właściwie tuż nad nią przesuwana jest sonda będąca subtelnym metalowym ostrzem (patrz: ramka).

Jeśli pomiędzy tym ostrzem a próbką przyłożyć niewielkie napięcie, to mechanika kwantowa mówi, że przy dostatecznym zbliżeniu ostrza do powierzchni próbki, gdy ich lokalne chmury elektronowe zaczynają ze sobą oddziaływać, zaczyna płynąć tzw. prąd tunelowy. Sprzężony z detektorem prądu tunelowego komputer umożliwia przekształcenie wykresów prądowych w obraz próbki, gdzie kolory są oczywiście czymś zupełnie sztucznym, ale poprawiają czytelność obrazu, nie mówiąc o jego graficznej atrakcyjności. Tak zrealizowano odwieczne marzenie - zobaczyć pojedyncze atomy i ich układ na powierzchni próbki.

W wizji Lukrecjusza sprzed 2 tys. lat mamy jakby przeczucie tej sytuacji:

I skoro, jeśli czegoś dotykasz, nie ma znaczenia,
Jakiego jest koloru, lecz raczej jakiego kształtu,
Więc oczywiście zaczątki (czytaj - atomy) nie potrzebują koloru,
By budzić różne doznania: kształt im do tego wystarcza (II, 814-817)

Spełniło się proroctwo Abbego. Pojawił się przyrząd, który można by nazwać nanoskopem (co chyba nie będzie naruszeniem praw do firmowej nazwy Nanoscope) - przyrząd odwzorowujący szczegóły o rozmiarach rzędu nanometra (jednej miliardowej części metra), a nawet dziesięciokrotnie mniejszych, takich jak pojedyncze atomy. Nie jest zapewne dziełem przypadku, że przyrząd ten pojawił się wówczas, gdy znajomość informacji o szczegółach tej wielkości zaczęła mieć istotne znaczenie praktyczne, zwłaszcza w technologii materiałów elektronicznych (miniaturyzacja elementów) i nośników informacji (zwiększanie gęstości zapisu).

Gdy naukowcy jednego z laboratoriów, posługując się skaningowym mikroskopem tunelowym do "przesuwania atomów", ułożyli atomy ksenonu zaadsorbowane na gładkiej (w skali atomowej) powierzchni kryształu niklu tak, że utworzyły miniaturowy napis IBM, w którym wysokość liter równa była pięciu atomom, była to zabawa. Uważać ją można jednak za moment narodzin nanoinżynierii - dziedziny zajmującej się przekształcaniem własności materiałów poprzez manipulowanie pojedynczymi atomami.

W jakim stopniu jest to czymś więcej niż atrakcyjną nazwą, o tym zadecyduje przyszłość. Potencjalne możliwości są olbrzymie. Można będzie nie tylko tworzyć konfiguracje atomowe nieznane dotychczas przyrodzie - to domena inżynierii materiałowej XXI wieku, ale także "reperować" pojedyncze cząsteczki. Ta druga możliwość kusi badaczy w dziedzinie biologii i medycyny, którzy już od pewnego czasu starają się rozszyfrować zapisy genetyczne zawarte w łańcuchach cząsteczek DNA żywych organizmów i próbują opracować sposoby korekcji tego zapisu.

No dobrze, powie cierpliwy czytelnik, dotarłszy do tego miejsca. Możemy uzyskać obraz układu atomów czy zaburzeń w regularności takiego układu, możemy nawet ujawnić miejsce, w którym atom powinien się znajdować, choć go tam nie ma. Potrafimy już nawet manipulować pojedynczymi atomami. Ale jak właściwie wygląda atom?

Ściśle rzecz biorąc, w ogóle "nie wygląda", bo go nadal zobaczyć nie możemy i nigdy nie zobaczymy za pomocą jedynie naszego narządu wzroku. A zamieszczone w artykule zdjęcia to iluzja? W pewnym sensie tak. Problem bowiem polega na tym, że znajomość miejsca położenia atomu i informacje o jego cechach czerpiemy z doświadczeń, które albo są rozpraszaniem jakichś fal (np. rentgenowskich, elektronowych) na obiektach atomowych, albo, jak w przypadku mikroskopu tunelowego, są sondowaniem atomowych oddziaływań. W rezultacie albo od razu uzyskujemy pewien rodzaj obrazu (np. obraz dyfrakcji promieni rentgenowskich na krysztale lub obraz elektronomikroskopowy), albo dane eksperymentalne przetwarzamy w obraz, aby były dla nas czytelniejsze (dziś najczęściej mamy do czynienia z tą drugą ewentualnością). Sami więc niejako ten obraz tworzymy.

Tworzymy go zgodnie z teoretycznym, kwantowym modelem atomu, jakim posługują się fizycy już od prawie osiemdziesięciu lat, a jednocześnie tak, aby był dla nas czytelny, to jest możliwie statyczny (atomy są przecież w ciągłym ruchu), pozbawiony nadmiernego kwantowego szumu etc. Czasem dodajemy do obrazu trochę cieni, kropek lub barw, aby zaspokoić nasze potrzeby estetyczne. Poza tym nie potrafilibyśmy już w fizyce obejść się bez pomocy coraz potężniejszych komputerów, które pozwalają od niedawna zobrazować olbrzymią liczbę danych doświadczalnych, trudnych do zanalizowania w inny sposób.

"Ubrane w obraz" wyniki eksperymentów porównuje się z wynikami komputerowych obliczeń mo- delujących rzeczywistość. To są również najczęściej obrazy, na których różnorodne modele cząsteczek zbudowane są z obłoczków, patyczków lub kulek. Musimy się nauczyć odróżniać to, co w takich obrazach jest istotne: odległości, kąty, natężenia, od tego, co służy jedynie poprawieniu czytelności lub wizualnej atrakcyjności. Pamiętajmy przy tym o słowach Wernera Heisenberga: nie poznajemy natury takiej, jaką jest, lecz taką jedynie, jaka nam się odsłania w doświadczeniach. To, co nam daje doświadczenie, to pewne wielkości fizyczne, ich rozkłady przestrzenne lub czasowe. Gdy wyniki przedstawiamy w postaci obrazu, to w nieunikniony sposób dostosowujemy go do naszych ludzkich doświadczeń, naszego sposobu widzenia świata.

Pozostawmy więc problem, "jak wygląda atom", nie rozstrzygnięty i cieszmy się tymi metodami, które obecnie umożliwiają ujawnienie ziarnistej, atomowej struktury materii, z tak wielkim pożytkiem dla rozwoju nauki i techniki.

Dr hab. JAN A. KOZUBOWSKI jest profesorem na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Od redakcji: w numerze lipcowym "WiŻ" zamieściliśmy artykuł J.A. Kozubowskiego pt. Jak odkrywano mikroświat.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(07/98) JAK ODKRYWANO MIKROŚWIAT