Stepan Lisovsky, dottorando al MIPT, dipendente del Dipartimento di nanometrologia e nanomateriali, parla dei principi di base della nanometrologia e delle funzioni di vari microscopi e spiega perché la dimensione delle particelle dipende dal modo in cui viene misurata.
Pensiero di riferimento
Per cominciare, sulla semplice metrologia. Come disciplina, avrebbe potuto sorgere nell'antichità, quindi molti hanno discusso sulla misura - da Pitagora ad Aristotele - ma non è sorta. La metrologia non è riuscita a entrare a far parte del quadro scientifico del mondo di quel tempo a causa dello stesso Aristotele. Per molti secoli a venire, ha stabilito la priorità di una descrizione qualitativa dei fenomeni su una quantitativa. Tutto è cambiato solo ai tempi di Newton. Il significato dei fenomeni "secondo Aristotele" cessò di soddisfare gli scienziati e l'enfasi si spostò - dalla parte semantica della descrizione a quella sintattica. In poche parole, si è deciso di guardare alla misura e al grado di interazioni tra le cose e non cercare di comprenderne l'essenza stessa. E si è rivelato molto più fruttuoso. Poi è arrivata l'ora più bella della metrologia.
Il compito più importante della metrologia è garantire l'uniformità delle misurazioni. L'obiettivo principale è disaccoppiare il risultato della misurazione da tutti i particolari: ora, luogo di misurazione, da chi sta misurando e come decide di farlo oggi. Di conseguenza, dovrebbe rimanere solo ciò che sempre e ovunque, indipendentemente da qualsiasi cosa, apparterrà alle cose: la sua misura oggettiva, che le appartiene in virtù della realtà che è comune a tutti. Come arrivare alla cosa? Attraverso la sua interazione con il dispositivo di misurazione. Per questo, deve esserci un metodo di misurazione unificato, oltre che uno standard, uguale per tutti.
Quindi, abbiamo imparato a misurare: tutto ciò che rimane è che tutte le altre persone nel mondo misurino nello stesso modo in cui lo facciamo noi. Ciò richiede che utilizzino tutti lo stesso metodo e gli stessi standard. Le persone si sono rese subito conto dei vantaggi pratici dell'introduzione di un unico sistema di misure e hanno deciso di avviare i negoziati. Apparve il sistema metrico di misurazione, che si diffuse gradualmente in quasi tutto il mondo. In Russia, a proposito, il merito dell'introduzione del supporto metrologico appartiene a Dmitry Mendeleev.
Il risultato della misurazione, oltre al valore effettivo della quantità, è anche un approccio espresso in unità di misura. Quindi, un metro misurato non diventerà mai un Newton e un ohm non diventerà mai un tesla. Cioè, quantità diverse implicano una diversa natura della misurazione, ma, ovviamente, non è sempre così. Un metro di filo risulta essere un metro sia in termini di caratteristiche spaziali, sia in termini di conduttività, sia in termini di massa della sostanza in esso contenuta. Una quantità è coinvolta in diversi fenomeni e questo facilita notevolmente il lavoro di un metrologo. Anche l'energia e la massa si sono rivelate in una certa misura equivalenti, quindi la massa delle particelle supermassicce viene misurata in termini di energia richiesta per crearla.
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Oltre al valore di una quantità e alla sua unità di misura, ci sono molti altri fattori importanti che è necessario conoscere su ciascuna misurazione. Tutti sono contenuti in una tecnica di misurazione specifica scelta per il caso di cui abbiamo bisogno. Tutto è impostato in esso: campioni standard e la classe di precisione degli strumenti e persino le qualifiche dei ricercatori. Sapendo come fornire tutto questo, in base alla metodologia, possiamo effettuare misurazioni corrette. In definitiva, l'applicazione della tecnica ci fornisce dimensioni garantite dell'errore di misurazione e l'intero risultato della misurazione è ridotto a due numeri: il valore e il suo errore, con cui gli scienziati lavorano solitamente.
Misura l'invisibile
La nanometrologia funziona quasi con le stesse leggi. Ma ci sono un paio di sfumature che non possono essere ignorate. Per capirli, è necessario comprendere i processi del nanomondo e capire qual è, in effetti, la loro caratteristica. In altre parole, cosa c'è di così speciale nella nanotecnologia.
Dobbiamo iniziare, ovviamente, con le dimensioni: un nanometro per metro è più o meno lo stesso di un cinese nella popolazione cinese. Questa scala (inferiore a 100 nm) consente tutta una serie di nuovi effetti. Qui, gli effetti della fisica quantistica, incluso il tunneling e l'interazione con i sistemi molecolari, l'attività e la compatibilità biologica, e una superficie sovrasviluppata, il cui volume (più precisamente, lo strato vicino alla superficie) è paragonabile al volume totale del nanooggetto stesso. Queste proprietà sono un tesoro di opportunità per il nanotecnologo e, allo stesso tempo, la maledizione del nanometrologo. Perché?
Il punto è che, a causa della presenza di effetti speciali, i nanooggetti richiedono approcci completamente nuovi. Non possono essere visti otticamente nel senso classico a causa della limitazione fondamentale sulla risoluzione che può essere raggiunta. Perché è strettamente legato alla lunghezza d'onda della radiazione visibile (puoi usare interferenze e così via, ma tutto questo è già esotico). Esistono diverse soluzioni di base a questo problema.
Tutto iniziò con un proiettore autoelettronico (1936), successivamente modificato in autoionico (1951). Il principio del suo funzionamento si basa sul moto rettilineo di elettroni e ioni sotto l'azione di una forza elettrostatica diretta dal catodo su scala nanometrica all'anodo-schermo delle dimensioni macroscopiche di cui abbiamo già bisogno. L'immagine che osserviamo sullo schermo si forma in corrispondenza o vicino al catodo a causa di determinati processi fisici e chimici. Prima di tutto, questa è l'estrazione di elettroni di campo dalla struttura atomica del catodo e la polarizzazione degli atomi del gas "imaging" vicino alla punta del catodo. Dopo essersi formato, l'immagine sotto forma di una certa distribuzione di ioni o elettroni viene proiettata sullo schermo, dove viene manifestata dalle forze della fluorescenza. In questo modo elegante, puoi osservare la nanostruttura delle punte realizzate con determinati metalli e semiconduttori,ma l'eleganza della soluzione qui è legata a restrizioni troppo strette su ciò che possiamo vedere, quindi questi proiettori non sono diventati molto popolari.
Un'altra soluzione è stata il senso letterale della superficie, realizzato per la prima volta nel 1981 come microscopio a sonda a scansione, che è stato insignito del Premio Nobel nel 1986. Come si può intuire dal nome, la superficie da esaminare viene scansionata con una sonda, che è un ago appuntito.
Microscopio a sonda a scansione
© Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido
Tra la punta e la struttura della superficie nasce un'interazione che può essere determinata con elevata precisione anche dalla forza che agisce sulla sonda, anche dalla deflessione della sonda, anche dalla variazione della frequenza (fase, ampiezza) delle oscillazioni della sonda. L'interazione iniziale, che determina la capacità di esplorare quasi tutti gli oggetti, ovvero l'universalità del metodo, si basa sulla forza repulsiva derivante dal contatto e sulle forze di van der Waals a lungo raggio. È possibile utilizzare altre forze, e persino la corrente di tunneling emergente, mappando la superficie non solo in termini di posizione spaziale sulla superficie dei nanooggetti, ma anche delle loro altre proprietà. È importante che la sonda stessa sia su scala nanometrica, altrimenti la sonda non scansionerà la superficie,e la superficie è una sonda (in virtù della terza legge di Newton, l'interazione è determinata da entrambi gli oggetti e, in un certo senso, simmetricamente). Ma nel complesso, questo metodo si è rivelato sia universale che in possesso della più ampia gamma di possibilità, quindi è diventato uno dei principali nello studio delle nanostrutture. Il suo principale svantaggio è che richiede molto tempo, soprattutto se paragonato ai microscopi elettronici.
I microscopi elettronici, a proposito, sono anche microscopi a sonda, solo un fascio di elettroni focalizzato funge da sonda in essi. L'uso di un sistema di lenti lo rende concettualmente simile all'ottico, anche se non senza grosse differenze. Prima di tutto: un elettrone ha una lunghezza d'onda più corta di un fotone, a causa della sua massa. Naturalmente, le lunghezze d'onda qui non appartengono alle particelle, all'elettrone e al fotone, ma caratterizzano il comportamento delle onde ad essi corrispondenti. Altra differenza importante: l'interazione dei corpi con i fotoni e con gli elettroni è abbastanza diversa, sebbene non priva di caratteristiche comuni. In alcuni casi, le informazioni ottenute dall'interazione con gli elettroni sono ancora più significative che dall'interazione con la luce, tuttavia la situazione opposta non è rara.
E l'ultima cosa a cui prestare attenzione è la differenza tra i sistemi ottici: se i corpi materiali sono tradizionalmente lenti per la luce, allora per i fasci di elettroni si tratta di campi elettromagnetici, che danno maggiore libertà di manipolare gli elettroni. Questo è il "segreto" dei microscopi elettronici a scansione, l'immagine sulla quale, sebbene sembri ottenuta con un microscopio ottico convenzionale, è resa tale solo per comodità dell'operatore, ma è ottenuta da un'analisi computerizzata delle caratteristiche dell'interazione di un fascio di elettroni con un raster separato (pixel) su campioni che vengono successivamente scansionati. L'interazione degli elettroni con un corpo consente di mappare una superficie in termini di rilievo, composizione chimica e persino proprietà di luminescenza. I fasci di elettroni sono in grado di passare attraverso campioni sottili,che ti consente di vedere la struttura interna di tali oggetti, fino agli strati atomici.
Questi sono i metodi principali per distinguere e indagare la geometria degli oggetti a livello di nanoscala. Ce ne sono altri, ma funzionano con interi sistemi di nanooggetti, calcolandone statisticamente i parametri. Ecco la diffrattometria a raggi X delle polveri, che ti consente di scoprire non solo la composizione di fase della polvere, ma anche qualcosa sulla distribuzione delle dimensioni dei cristalli; e l'ellissometria, che caratterizza lo spessore dei film sottili (cosa insostituibile nella creazione dell'elettronica, in cui l'architettura dei sistemi è realizzata principalmente a strati); e metodi di assorbimento di gas per l'analisi di una superficie specifica. Il linguaggio può essere spezzato con i nomi di alcuni metodi: diffusione dinamica della luce, spettroscopia elettroacustica, rilassometria a risonanza magnetica nucleare (tuttavia, è semplicemente chiamata rilassometria NMR).
Ma non è tutto. Ad esempio, una carica può essere trasferita a una nanoparticella che si muove nell'aria, dopodiché si può attivare un campo elettrostatico e, a seconda di come la particella devia, si può calcolare la sua dimensione aerodinamica (la sua forza di attrito contro l'aria dipende dalla dimensione delle particelle). A proposito, in modo simile, la dimensione delle nanoparticelle viene determinata nel già citato metodo di diffusione dinamica della luce, viene analizzata solo la velocità nel moto browniano e, inoltre, indirettamente, dalle fluttuazioni della diffusione della luce. Si ottiene il diametro delle particelle idrodinamiche. E c'è più di uno di questi metodi "intelligenti".
Una tale abbondanza di metodi che sembrano misurare la stessa cosa - le dimensioni, ha un dettaglio interessante. Il valore della dimensione di uno stesso nano-oggetto spesso differisce, a volte anche a volte.
Che taglia è corretta?
È il momento di richiamare la metrologia ordinaria: i risultati della misurazione, oltre al valore misurato effettivo, sono impostati anche dalla precisione della misurazione e dal metodo con cui è stata effettuata la misurazione. Di conseguenza, la differenza nei risultati può essere spiegata sia dalla diversa accuratezza che dalla diversa natura dei valori misurati. La tesi sulla diversa natura delle diverse dimensioni della stessa nanoparticella può sembrare insolita, ma lo è. La dimensione di una nanoparticella in termini di comportamento in una dispersione acquosa non è la stessa della sua dimensione in termini di adsorbimento di gas sulla sua superficie e non è la stessa della sua dimensione in termini di interazione con un fascio di elettroni in un microscopio. Per non parlare del fatto che per i metodi statistici è impossibile parlare neanche di una certa taglia, ma solo di un valore che caratterizza la taglia. Ma nonostante queste differenze (o anche grazie a loro), tutti questi risultati possono essere considerati ugualmente veri, solo dicendo un po 'di cose diverse, guardando da diverse angolazioni. Ma questi risultati possono essere confrontati solo dal punto di vista dell'adeguatezza del fare affidamento su di essi in determinate situazioni: per prevedere il comportamento di una nanoparticella in un liquido, è più adeguato utilizzare il valore del diametro idrodinamico, e così via.
Tutto quanto sopra è vero per la metrologia convenzionale e anche per qualsiasi registrazione di fatti, ma questo viene spesso trascurato. Possiamo dire che non ci sono fatti più veri e meno veri, più coerenti con la realtà e meno (tranne forse il falso), ma ci sono solo fatti che sono più e fatti meno adeguati per l'uso in una situazione particolare, nonché basati su più e meno l'interpretazione corretta per questo. I filosofi lo hanno imparato bene sin dai tempi del positivismo: ogni fatto è teoricamente caricato.
