Stepan Lisovsky, Doktorand am MIPT, Mitarbeiter der Abteilung für Nanometrologie und Nanomaterialien, spricht über die Grundprinzipien der Nanometrologie und die Funktionen verschiedener Mikroskope und erklärt, warum die Partikelgröße von der Art der Messung abhängt.
Referenzdenken
Zunächst einmal - über einfache Messtechnik. Als Disziplin hätte es in der Antike entstehen können, dann stritten sich viele über das Maß - von Pythagoras bis Aristoteles - aber es entstand nicht. Die Metrologie konnte aufgrund desselben Aristoteles nicht Teil des wissenschaftlichen Bildes der damaligen Welt werden. Für viele Jahrhunderte legte er die Priorität einer qualitativen Beschreibung von Phänomenen gegenüber einer quantitativen fest. Alles änderte sich nur zu Newtons Zeiten. Die Bedeutung von Phänomenen "nach Aristoteles" befriedigte die Wissenschaftler nicht mehr und die Betonung verlagerte sich - vom semantischen Teil der Beschreibung zum syntaktischen. Einfach ausgedrückt wurde beschlossen, das Maß und den Grad der Wechselwirkungen zwischen Dingen zu untersuchen und nicht zu versuchen, deren Wesen zu verstehen. Und es stellte sich als viel fruchtbarer heraus. Dann kam die schönste Stunde der Messtechnik.
Die wichtigste Aufgabe der Messtechnik ist es, die Einheitlichkeit der Messungen sicherzustellen. Das Hauptziel ist es, das Messergebnis von allen Einzelheiten zu entkoppeln: Zeit, Ort der Messung, von wem gemessen wird und wie er sich heute dazu entscheidet. Infolgedessen sollte nur das übrig bleiben, was immer und überall, unabhängig von irgendetwas, zu den Dingen gehört - sein objektives Maß, das aufgrund der für alle gemeinsamen Realität dazu gehört. Wie komme ich zu dem Ding? Durch seine Interaktion mit dem Messgerät. Dazu muss es eine einheitliche Messmethode sowie einen für alle gleichen Standard geben.
Wir haben also gelernt zu messen - alles, was bleibt, ist, dass alle anderen Menschen auf der Welt genauso messen wie wir. Dies erfordert, dass alle dieselbe Methode und dieselben Standards verwenden. Die Menschen erkannten schnell die praktischen Vorteile der Einführung eines einzigen Maßnahmensystems und stimmten den Verhandlungen zu. Es erschien das metrische Messsystem, das sich allmählich auf fast die ganze Welt ausbreitete. In Russland liegt der Verdienst der Einführung der messtechnischen Unterstützung übrigens bei Dmitry Mendeleev.
Das Messergebnis ist neben dem tatsächlichen Wert der Menge auch ein Ansatz, der in Maßeinheiten ausgedrückt wird. So wird ein gemessenes Messgerät niemals zu einem Newton, und ein Ohm wird niemals zu einem Tesla. Das heißt, unterschiedliche Größen implizieren eine unterschiedliche Art der Messung, aber dies ist natürlich nicht immer der Fall. Ein Meter Draht erweist sich sowohl hinsichtlich seiner räumlichen Eigenschaften als auch hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Masse der darin enthaltenen Substanz als Meter. Eine Größe ist an verschiedenen Phänomenen beteiligt, was die Arbeit eines Metrologen erheblich erleichtert. Sogar Energie und Masse erwiesen sich bis zu einem gewissen Grad als äquivalent, daher wird die Masse der supermassiven Teilchen anhand der Energie gemessen, die zur Erzeugung erforderlich ist.
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Neben dem Wert der Menge und der Maßeinheit gibt es noch einige weitere wichtige Faktoren, die Sie über jede Messung wissen müssen. Alle von ihnen sind in einer spezifischen Messtechnik enthalten, die für den von uns benötigten Fall ausgewählt wurde. Alles ist darin festgelegt: Standardproben und die Genauigkeitsklasse der Instrumente und sogar die Qualifikationen der Forscher. Wenn wir wissen, wie wir all dies basierend auf der Methodik bereitstellen können, können wir korrekte Messungen durchführen. Letztendlich liefert die Anwendung der Technik garantierte Dimensionen des Messfehlers, und das gesamte Messergebnis wird auf zwei Zahlen reduziert: den Wert und seinen Fehler, mit denen Wissenschaftler normalerweise arbeiten.
Messen Sie das Unsichtbare
Die Nanometrologie arbeitet nach fast denselben Gesetzen. Es gibt jedoch einige Nuancen, die nicht ignoriert werden können. Um sie zu verstehen, müssen Sie die Prozesse der Nanowelt verstehen und verstehen, was tatsächlich ihre Eigenschaft ist. Mit anderen Worten, was ist das Besondere an der Nanotechnologie?
Wir müssen natürlich mit den Dimensionen beginnen: Ein Nanometer pro Meter entspricht ungefähr einem Chinesen in der Bevölkerung Chinas. Diese Skala (weniger als 100 nm) ermöglicht eine ganze Reihe neuer Effekte. Hier sind die Auswirkungen der Quantenphysik, einschließlich des Tunnelns und der Wechselwirkung mit molekularen Systemen sowie der biologischen Aktivität und Kompatibilität und einer überentwickelten Oberfläche, deren Volumen (genauer gesagt die oberflächennahe Schicht) mit dem Gesamtvolumen des Nanoobjekts selbst vergleichbar ist. Diese Eigenschaften sind eine Schatzkammer der Möglichkeiten für den Nanotechnologen und gleichzeitig der Fluch des Nanometrologen. Warum?
Der Punkt ist, dass Nanoobjekte aufgrund des Vorhandenseins von Spezialeffekten völlig neue Ansätze erfordern. Sie können im klassischen Sinne nicht optisch gesehen werden, da die erreichbare Auflösung grundsätzlich eingeschränkt ist. Weil es streng an die Wellenlänge der sichtbaren Strahlung gebunden ist (Sie können Interferenzen usw. verwenden, aber all dies ist bereits exotisch). Für dieses Problem gibt es mehrere grundlegende Lösungen.
Alles begann mit einem autoelektronischen Projektor (1936), der später zu einem autoionischen Projektor (1951) umgebaut wurde. Das Funktionsprinzip basiert auf der geradlinigen Bewegung von Elektronen und Ionen unter Einwirkung einer elektrostatischen Kraft, die von der nanoskaligen Kathode auf den Anodenschirm der bereits benötigten makroskopischen Dimensionen gerichtet ist. Das Bild, das wir auf dem Bildschirm beobachten, entsteht aufgrund bestimmter physikalischer und chemischer Prozesse an oder in der Nähe der Kathode. Dies ist zunächst die Extraktion von Feldelektronen aus der Atomstruktur der Kathode und die Polarisation der Atome des "abbildenden" Gases in der Nähe der Kathodenspitze. Nach der Bildung wird das Bild in Form einer bestimmten Verteilung von Ionen oder Elektronen auf den Bildschirm projiziert, wo es sich durch die Fluoreszenzkräfte manifestiert. Auf diese elegante Weise können Sie die Nanostruktur der Spitzen bestimmter Metalle und Halbleiter betrachten. Die Eleganz der Lösung hängt jedoch mit zu strengen Einschränkungen des Sichtbaren zusammen, sodass diese Projektoren nicht sehr beliebt geworden sind.
Eine andere Lösung war der wörtliche Sinn der Oberfläche, der erstmals 1981 als Rastersondenmikroskop realisiert wurde und 1986 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Wie Sie dem Namen entnehmen können, wird die zu untersuchende Oberfläche mit einer Sonde gescannt, bei der es sich um eine spitze Nadel handelt.
Rastersondenmikroskop
© Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Zwischen der Spitze und der Oberflächenstruktur tritt eine Wechselwirkung auf, die selbst durch die auf die Sonde wirkende Kraft, selbst durch die auftretende Auslenkung der Sonde, selbst durch die Änderung der Frequenz (Phase, Amplitude) der Schwingungen der Sonde mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Die anfängliche Wechselwirkung, die die Fähigkeit bestimmt, nahezu jedes Objekt zu untersuchen, dh die Universalität der Methode, basiert auf der Abstoßungskraft, die durch Kontakt entsteht, und auf weitreichenden Van-der-Waals-Kräften. Es ist möglich, andere Kräfte und sogar den entstehenden Tunnelstrom zu nutzen, um die Oberfläche nicht nur hinsichtlich der räumlichen Lage auf der Oberfläche von Nanoobjekten, sondern auch hinsichtlich ihrer anderen Eigenschaften abzubilden. Es ist wichtig, dass die Sonde selbst nanoskalig ist, da sonst die Sonde die Oberfläche nicht abtastet.und die Oberfläche ist eine Sonde (gemäß Newtons drittem Gesetz wird die Wechselwirkung von beiden Objekten bestimmt und in gewissem Sinne symmetrisch). Insgesamt erwies sich diese Methode jedoch als universell und mit den unterschiedlichsten Möglichkeiten, sodass sie zu einer der wichtigsten Methoden bei der Untersuchung von Nanostrukturen wurde. Sein Hauptnachteil ist, dass es extrem zeitaufwendig ist, insbesondere im Vergleich zu Elektronenmikroskopen.
Elektronenmikroskope sind übrigens auch Sondenmikroskope, in denen nur ein fokussierter Elektronenstrahl als Sonde fungiert. Die Verwendung eines Linsensystems macht es konzeptionell ähnlich wie optisch, wenn auch nicht ohne größere Unterschiede. In erster Linie: Ein Elektron hat aufgrund seiner Massivität eine kürzere Wellenlänge als ein Photon. Natürlich gehören die Wellenlängen hier nicht zu den Teilchen, dem Elektron und dem Photon, sondern charakterisieren das Verhalten der ihnen entsprechenden Wellen. Ein weiterer wichtiger Unterschied: Die Wechselwirkung von Körpern mit Photonen und mit Elektronen ist sehr unterschiedlich, wenn auch nicht ohne gemeinsame Merkmale. In einigen Fällen sind die Informationen, die aus der Wechselwirkung mit Elektronen gewonnen werden, noch aussagekräftiger als aus der Wechselwirkung mit Licht - die umgekehrte Situation ist jedoch nicht ungewöhnlich.
Und das Letzte, was beachtet werden sollte, ist der Unterschied zwischen optischen Systemen: Wenn materielle Körper traditionell Linsen für Licht sind, dann sind dies für Elektronenstrahlen elektromagnetische Felder, die eine größere Freiheit zur Manipulation von Elektronen bieten. Dies ist das "Geheimnis" von Rasterelektronenmikroskopen. Das Bild, auf dem es aussieht, als wäre es in einem herkömmlichen Lichtmikroskop aufgenommen worden, wird jedoch nur zur Vereinfachung des Bedieners erstellt, sondern aus einer Computeranalyse der Eigenschaften der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit einem separaten Raster (Pixel) Proben, die anschließend gescannt werden. Die Wechselwirkung von Elektronen mit einem Körper ermöglicht es, eine Oberfläche hinsichtlich Relief, chemischer Zusammensetzung und sogar Lumineszenzeigenschaften abzubilden. Elektronenstrahlen können dünne Proben passieren,Dadurch können Sie die interne Struktur solcher Objekte sehen - bis hin zu atomaren Schichten.
Dies sind die Hauptmethoden zur Unterscheidung und Untersuchung der Geometrie von Objekten im Nanobereich. Es gibt andere, aber sie arbeiten mit ganzen Systemen von Nanoobjekten und berechnen ihre Parameter statistisch. Hier ist die Röntgendiffraktometrie von Pulvern, mit der Sie nicht nur die Phasenzusammensetzung des Pulvers herausfinden können, sondern auch etwas über die Größenverteilung von Kristallen. und Ellipsometrie, die die Dicke dünner Filme charakterisiert (eine Sache, die bei der Schaffung von Elektronik unersetzlich ist, bei der die Architektur von Systemen hauptsächlich in Schichten erzeugt wird); und Gassorptionsverfahren zur Analyse der spezifischen Oberfläche. Die Sprache kann mit den Namen einiger Methoden gebrochen werden: dynamische Lichtstreuung, elektroakustische Spektroskopie, Kernspinresonanzrelaxometrie (sie wird jedoch einfach als NMR-Relaxometrie bezeichnet).
Aber das ist nicht alles. Beispielsweise kann eine Ladung auf ein sich in Luft bewegendes Nanopartikel übertragen werden, dann kann das elektrostatische Feld eingeschaltet werden und abhängig von der Auslenkung des Partikels kann seine aerodynamische Größe berechnet werden (seine Reibungskraft gegen Luft hängt von der Partikelgröße ab). Übrigens wird in ähnlicher Weise die Größe von Nanopartikeln bei der bereits erwähnten Methode der dynamischen Lichtstreuung bestimmt, nur die Geschwindigkeit der Brownschen Bewegung wird analysiert und auch indirekt aus Schwankungen der Lichtstreuung. Man erhält den hydrodynamischen Teilchendurchmesser. Und es gibt mehr als eine solche "clevere" Methode.
Eine solche Fülle von Methoden, die dieselbe Größe zu messen scheinen, hat ein interessantes Detail. Der Wert der Größe ein und desselben Nanoobjekts unterscheidet sich oft, manchmal sogar manchmal.
Welche Größe ist richtig?
Es ist Zeit, sich an die gewöhnliche Messtechnik zu erinnern: Die Messergebnisse werden neben dem tatsächlichen Messwert auch durch die Messgenauigkeit und die Methode bestimmt, mit der die Messung durchgeführt wurde. Dementsprechend kann der Unterschied in den Ergebnissen sowohl durch die unterschiedliche Genauigkeit als auch durch die unterschiedliche Art der gemessenen Werte erklärt werden. Die These über die unterschiedliche Natur unterschiedlicher Größen desselben Nanopartikels mag wild erscheinen, ist es aber. Die Größe eines Nanopartikels in Bezug auf sein Verhalten in einer wässrigen Dispersion entspricht nicht seiner Größe in Bezug auf die Adsorption von Gasen an seiner Oberfläche und nicht seiner Größe in Bezug auf die Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl in einem Mikroskop. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass es für statistische Methoden unmöglich ist, über eine bestimmte Größe zu sprechen, sondern nur über einen Wert, der die Größe kennzeichnet. Aber trotz dieser Unterschiede (oder sogar dank ihnen) können all diese Ergebnisse als gleich wahr angesehen werden, indem man nur ein wenig über verschiedene Dinge sagt und aus verschiedenen Blickwinkeln schaut. Diese Ergebnisse können jedoch nur unter dem Gesichtspunkt verglichen werden, ob es in bestimmten Situationen angemessen ist, sich auf sie zu verlassen: Um das Verhalten eines Nanopartikels in einer Flüssigkeit vorherzusagen, ist es angemessener, den Wert des hydrodynamischen Durchmessers usw. zu verwenden.
All dies gilt für die konventionelle Messtechnik und sogar für jede Aufzeichnung von Fakten, dies wird jedoch häufig übersehen. Wir können sagen, dass es keine Tatsachen gibt, die wahrer und weniger wahr sind, die der Realität besser entsprechen und weniger (außer vielleicht Fälschungen), aber es gibt nur Tatsachen, die für die Verwendung in einer bestimmten Situation mehr und weniger angemessen sind und auf mehr und weniger beruhen die richtige Interpretation dafür. Philosophen haben dies seit der Zeit des Positivismus gut gelernt: Jede Tatsache ist theoretisch geladen.