הוא האמין כי המיקרוסקופים הראשונים הומצאו במאה ה -17. אחר כך הם ייצגו מערכת עדשות לא מסובכת, שרמזה רק על נוכחותו של עולם המיקרו. כעת, מירוץ רזולוציה מרחבית מאפשר לחוקרים להסתכל על האטומים עצמם. בנוסף לחוויה המהורהרת, היא מסייעת ביצירת חומרים חדשים, כגון מסגרות אורגניות -מתכות (MOF).
לאחר מכן, עבר לקבוצת מיקרוסקופיית האלקטרונים במעבדה הלאומית בברקלי (מסלול אקדמי), שם רק החלה פיתוח מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה תת -אנגסטרומית. שם הוזמנתי לחברת FEI - לאחרונה תרמו פישר. הוא אחד המובילים בעולם בייצור מיקרוסקופים של שידור. בעודי עובד ב- FEI (מסלול תעשייתי), השתתפתי בהתקנה ובהשקה של מספר מיקרוסקופים אלקטרונים אלקטרוניים המתקדמים ביותר באותה תקופה עבור מעבדת KAUST. מאוחר יותר ביקרתי במעבדה זו יותר מפעם אחת להכשרת כוח אדם. אז כשהוזמנתי לעבוד ב- Core Lab כמיקרוסקופ מוביל, זו הייתה בחירה טבעית.
במה שונה TEM מטכניקות אחרות? למשל, ממיקרוסקופיה של כוח אטומי?
בגדול, TEM הוא גלגולו של תיאטרון צללים. רק במקום דמויות נייר- חפצי מיקרו וננו, ואת תפקידו של מקור אור משחק זרימה קוהרנטית (הומוגנית במרחב ובזמן) של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. השאר כמעט אותו דבר: אנו מסתכלים על מיקרו או ננו אובייקטים ומעריכים אותם על פי הצל שהם מטילים. תפקיד הקיר מבוצע על ידי מסך ניאון, סרט צילום או יותר ויותר מצלמות CCD (בערך כמו במצלמות דיגיטליות). יתכנו גם גלאים אחרים.
בגרסה הקלאסית, TEM מיושם כ"צינור אנכי עם ידיות ". אוויר נשאב מהצינור, למעלה מונח אקדח אלקטרונים ש"יורה "אלקטרונים לאורך הצינור. חומר הבדיקה מוחדר לאמצע הצינור, ומתחתיו מוצב גלאי אלקטרונים. יש גם כפכף: האקדח מוברג מלמטה, והגלאי למעלה. ישנם מעט מיקרוסקופים כאלה, אך הם מהטובים ביותר.
זה באופן כללי. בפועל עולים ניואנסים. ראשית, כדי ליצור זרם קוהרנטי של אלקטרונים שטסים בגובה ויציב (עם התפשטות של לא יותר מ 0,0003 אחוזים) יש צורך בציוד דיוק גבוה. רוב המיקרוסקופים הקיימים מאיצים אלקטרונים עד 300 קילו וולט (כ -80 אחוז ממהירות האור). בינתיים, פעם, לפני הופעת הסמארטפונים, היו מערכות המאיצות חלקיקים לרמה של 1.5 מגה -וולט (97 אחוז ממהירות האור). התכונה השנייה היא שהאלקטרונים נספגים היטב באוויר. הם צריכים ואקום כדי להגיע למדגם. לכן, TEM הוא גם ציוד ואקום הדורש אנרגיה רבה ומחמם. זה כולל הפעלה של מערכות קירור. שלישית, האובייקט הנחקר חייב להיות שקוף לאלקטרונים - רק אז ניתן לקבוע לא רק את צורתו על ידי צללית הצל, אלא גם את המבנה הפנימי שלו. התנאי האחרון מטיל הגבלה על עובי הדגימה - ככלל, בין 10 ל -100 ננומטר. במקרה זה, החומר כולו "שקוף". היכולת לבחון את כל ה"פנים "מבדילה את מיקרוסקופיית השידור וממיקרוסקופיה בעלת כוח אטומי, שבה נלמד רק המשטח.
לבסוף, המיקרוסקופ ב- TEM חייב להיות מבודד בקפידה: התוצאה מושפעת מרטט, אקוסטיקה, הפרעות אלקטרומגנטיות ואפילו תנודות בטמפרטורת האוויר מעל 0.5 מעלות צלזיוס. בכל הנוגע לסולמות האנגסטרום הפרטים הקטנים ביותר חשובים.
אחד המיקרוסקופים שאיתם עבדתי במקרה במומבאי לא היה מבודד כהלכה ונמצא רק 300 מטר מהאוקיינוס ההודי. מהתמונות מהמיקרוסקופ הזה יכולתי לקבוע במדויק את תחילת הגלישה. הדוגמה ההפוכה היא המעבדה הגרמנית Jülich Forschungszentrum, הממוקמת באזור כריית פחם פעיל. מדי יום, 100 מטר משלב לחפור בסלע ולהפיץ רעידות לאורך עשרות קילומטרים מסביב. רטט כזה אינו נראה לאדם, אך לא למיקרוסקופ אלקטרונים. לכן, הם בונים בניינים נפרדים עם טמפרטורות יציבות במיוחד ו"מטען "של תקשורת סלולרית, והמיקרוסקופים עצמם מונחים על קוביות בטון ענקיות התלויים בכריות אוויר. במקומות כאלה הקסם מתחיל: אנו רואים אטומים המופרדים רק בחצי אסטרום.
העלות והתחזוקה של מערכות TEM, במיוחד אלה עם רזולוציית תת -זרם, מרקיעות שחקים. המחיר של מיקרוסקופ בלבד יכול להיות כמה מיליוני דולרים. יחד עם זאת, היקף היישומים של הטכנולוגיה הוא רחב: בכל מקום שאתה צריך כדי לברר את המבנה הפנימי, עד לרמות האטום. כלומר, זוהי גם ביולוגיה - חקר מבנה התאים, הנגיפים, החלבונים, ה- DNA; וכל תעשיית האלקטרוניקה; והתעשייה הפטרוכימית - רובד ענק של מחקר הקשור לפיתוח וניתוח של זרזים.
בשנת 2016, KAUST עבדה עם מדענים אחרים כדי למצוא דרך להאיר דרך ה- MOF מבלי להרוס אותם. איך זה עובד? האם המעבדה שלך משתמשת רק ב- TEM כדי ללמוד MOF?
המעבדה שלנו היא תכליתית למדי ויכולה לכסות את רוב התחומים שהוזכרו לעיל ורבים אחרים. MOF הוא אחד החומרים ה"אופנתיים "בימינו. כל העולם לומד כעת באופן פעיל מסגרות אורגנטומטליות. מטבע הדברים, KAUST לא עומד בצד.
הקושי העיקרי בלימוד MOF טמון בשם. במבנה שלהם, יש חומר אורגני שאינו אוהב במיוחד הקרנת אלקטרונים. תחת פעולתו, MOFs נהרסים בקלות. אתה צריך לעבוד לא רק במהירות, אלא באופן מיידי. לכן, כאשר "משדרים" מסגרות אורגנית -מתכות באמצעות TEM, יש צורך להגביל את מספר האלקטרונים הנופלים על המדגם. יש צורך למצוא במהירות וכמעט בעיוורון (ללא הקרנה) מקום מתאים על פני השטח שלו, לכוון אותו בצורה נכונה ולתעד תמונה שכמעט שום דבר לא נראה עליה. ואז, מ"כמעט כלום "לשחזור המבנה. זוהי מהותה של טכניקת "המינון הנמוך" המתוארת במאמר. מצלמות דיגיטליות רגישות ביותר שיכולות להקליט את הטיסה של אלקטרון בודד הן הכרחיות. מצלמות כאלה הופיעו לאחרונה בארצנו.
כמעט כל טכניקות המיקרוסקופיה מיוצגות במעבדת הליבה. למרות שניגודיות שלב דיפרנציאלי (DPC) לא הייתה זמינה עד לאחרונה, היא ידועה. אם קיים שדה מגנטי או חשמלי פנימי במדגם הנחקר, אז בהשוואה לדגימה ללא שדה, האלקטרונים ה"שקופים "ישנו מעט את מסלולם. כדי לרשום את הסטייה, יש צורך במספר גלאים (לפחות ארבעה), הממוקמים כך שאלקטרונים שמוסטים על ידי השדה המגנטי או החשמלי של הדגימה נופלים בעיקר על גלאי אחד בלבד. לאחר מכן, השוואת האות עם גלאים אחרים תאפשר לא רק הדמיה, אלא גם מדידת השדה המגנטי או החשמלי. בפועל, לא משתמשים בארבעה גלאים עצמאיים, אלא באחד מפולח, והקריאות של כל אחד נרשמות בנפרד. הרעיון פשוט ועובד מצוין. דבר אחד הוא שלרוב ה- TEM הישנים ואפילו המודרניים אין גלאים מפולחים כאלה. או שאין תוכנה להקלטת ארבעה אותות נפרדים.
מאז שהתעניינתי במיקרוסקופיה, ניתנה לי ההזדמנות "לסובב את הכפתורים" על TEM רבים, מאתיים, אולי שלושה. שיטת DPC עבדה רק על אחת. הוא לא היה זמין גם ב- KAUST. לאחר תחילת העבודה ב- Core Lab, הראיתי שניתן ליישם DPC על כל TEM שיש בו גלאי סטנדרטי אחד לפחות, ללא שינוי נוסף. כעת אנו משתמשים באופן פעיל בגישה שהצעתי ללמוד דגימות מגנטיות, במיוחד חוטי Ni / Co ננומטיים, התנועה המבוקרת של קירות תחום מגנטי שבהם ניתן להפוך אותם לנשאי מידע.
לאחרונה הצליחו הכימאים למדוד ישירות את חוזק הקשרים בין אטומי מימן בודדים. הם השתמשו במיקרוסקופ כוח אטומי. TEM יכול לעשות זאת?
לא, ל- TEM יש משימות אחרות. כלומר: מבנה החומר, תכונות, מצבי מטען, הפעילות החשמלית של אטומים בודדים או פגמים בסריג הקריסטל שבתוך החומר וכן הלאה.
ספר לנו על Titan Themis Z. אם אני מבין נכון, אנחנו מדברים על פיתוח תוכנה?
במקום זאת, חומרה. מיקרוסקופ העברת טיטאן הוא מוצר FEI והוצג לפני 12-13 שנים. למעשה, זוהי פלטפורמה שעל פיה ניתן לבנות מערכות שונות או יותר אוניברסאליות במיוחד. נזכיר את ערכת "הצינור האנכי": במקרה של טיטאן, אם הצינור מקורר לטמפרטורת החנקן הנוזלי (–195, 75 מעלות צלזיוס), נקבל את טיטאן קריוס - TEM לחקר ביו -חומר. הקפאת זעזועים בקרח מסייעת לאורגנים לשמור על המבנה שלהם זמן רב יותר מתחת לקרן האלקטרונים. מיקרוסקופים כאלה פורחים כעת.
אם מוסיפים מעט גז לוואקום בצינור, מקבלים טיטאן ETEM (איכות הסביבה). זה מאפשר לך לצפות בתהליכים כימיים בזמן אמת. ואם ניקח את השינוי הגבוה ביותר של צינור זה בעזרת אקדח אלקטרונים יציב, מתקיני סטייה כדורית, נצייד אותו בגלאי רנטגן (אלקטרונים שעפים במדגם מייצרים אותו בכמות עצומה), בורג את ספקטרומטר אובדן האנרגיה האלקטרונים מ למטה ולמקם את כל המבנה בתוך קופסת בידוד, יתברר ש- Titan Themis Z. Z מייצג מספר אטומי. היתרון שלו הוא שבעזרת גלאים נוספים לא רק אנו יכולים לקבל תמונה בשחור-לבן, שבה נקודות בהירות מתאימות לאטומים, אלא גם "לצבוע" אותה. עבור כל אטום, הגדר את הסוג, לעתים קרובות - תאר את המאפיינים האלקטרוניים של החומר, למשל אם הוא דיאלקטרי או מוליך.
שינוי Themis Z הוצג בשנה שעברה. KAUST רכשה אותו לראשונה בעולם, והוסיפה שישית לשורה של חמישה טיטאן TEM מהדור הקודם. KAUST הוא המקום היחיד עם כל כך הרבה מיקרוסקופים מתקדמים.
האם Themis Z כבר עזר לך להשיג כמה תוצאות?
יש תוצאות, אבל פרסומים מתוכננים בלבד. המיקרוסקופ עדיין בשלב ההפעלה.
KAUST משתפת פעולה רבות עם קבוצות מחקר אחרות. ועם עמיתיך ושותפיך הרוסים?
בעודי עובד ב- FEI, ביקרתי בארגונים רבים - במסגרת כוונון עדין של ציוד, ניסויים משותפים, הדרכות, הרצאות. הוא הגיע גם לרוסיה: לנובוסיבירסק, יקטרינבורג, סנט פטרבורג, מוסקבה. במרכזים מדעיים מקומיים יש קבוצות מחקר מתקדמות למדי. בנפרד, אציין את מכון קורצ'אטוב ואת המעבדה של אלכסנדר וסילייב, שם מותקנים שני TEM TITAN בבת אחת, כולל Krios (ולשכנים ממול יש טיטאן נוסף). אני עדיין שומר על קשר הדוק עם החבר'ה מהקבוצה הזו.
מדענים רוסים רבים איתם אני עובד פזורים ברחבי העולם. לדוגמה, המרכז המדעי NanoGune בחבל הבאסקים, בספרד: אני עובד עם ראש מחלקת TEM שלה, פרופסור אנדריי צ'ובלין במשך יותר מעשר שנים. התוצאה של ידידותנו היא לא רק פרסומים, אלא גם התפתחויות בתחום טכניקות TEM או "קבצים מצורפים". דוגמה אחת היא מונוכרומטור לאקדח אלקטרונים, המשפר את האיכות והרזולוציה של ספקטרוסקופיה של אובדן אלקטרונים, ופותח גישה למחקר של חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה: אקסיטונים, פלסמונים, פונונים.
המונוכרומטור אינו מכשיר חדש. אך לאחרונה הוכחנו כי היא יכולה לספק רזולוציית אנרגיה גבוהה פי עשרה מזו שטען היצרן (הערה בנושא תופיע בקרוב בטבע תקשורת).בנוסף לחקר חלקיקים, הגילוי מאפשר למשל למדוד את פער הלהקה - אחד המאפיינים המרכזיים של מוליכים למחצה - בדיוק רב. ותודה ל- TEM, במקרה זה מושגת רזולוציה מרחבית שאינה זמינה בשיטות אחרות.