strona główna     -     okładka numeru     -     spis treści     -     archiwum fahrenheita     -     napisz do nas
 
Adam Cebula Para, nauka i obok
<<<strona 26>>>

 

Za krótkie wprowadzenie do nanotechnologii

 

 

Jednym z najmodniejszych ostatnio słówek jest nanotechnologia. Robi ono wielką karierę trochę pomimo faktów, a trochę obok nich. Tak naprawdę bowiem tego, czego spodziewają się dziennikarze, prawdopodobnie nie da się owymi nanotechnologicznymi metodami uzyskać. Osobiście mocno wątpię, że powstaną nanoroboty w takim kształcie, w jakim wyobrażają je sobie popularyzatorzy. Dlaczego? Ze względu na zmianę skali. To, co w naszych warunkach nie odgrywa roli, zaczyna decydować nie tylko o zachowaniu tak małych obiektów, jakimi powinny być owe nanoroboty, lecz znacznie wcześniej. Już na etapie mrówki siły lepkości stają się tak wielkie, że mogą zniszczyć całą konstrukcję.

Tak więc, czym jest nanotechnologia, trzeba chyba tłumaczyć od początku. A zacząć wypada od stwierdzenia, że ci, którzy zajmują się jej tworzeniem, chyba nie bardzo mają pojęcie, że tym się właśnie zajmują. Jest to termin bardziej dziennikarski niż naukowy. Dobrze wiadomo, co to jest skala nanometrowa, bo nanometr to jedna miliardowa metra.

Nie można tu darować sobie dygresji o wymiarach, które nas dotyczą. W kosmosie, gdy mówimy o Układzie Słonecznym, operujemy milionami kilometrów. Odległość Ziemia – Księżyc to ok. 0.4 miliona kilometrów. Obwód równika Ziemi – 40 000 km – jest 10 razy mniejszy od poprzedniej wielkości. Odległość do horyzontu, jaki widzimy w naturalnych warunkach (20 – 40 km), to znowu cztery rzędy wielkości mniej. Świat naszych przedmiotów, wysokość siedzenia krzesła (ok. 40 cm), jest milion razy mniejsza od odległości do Księżyca. Tymczasem obiekty nanometrowe są od nas miliard razy mniejsze (człowiek mierzy ok. 170 cm), milion razy od mrówki, 1000 razy od bakterii o wymiarach ok. 1/1000 milimetra, 400 razy mniejsze od długości światła fioletowego, najkrótszych fal, jakie rejestruje ludzkie oko.

Odległości pomiędzy atomami w wiązaniach chemicznych są rzędu 1/10 nanometra. W takiej skali chcemy operować.

 

Można teraz zadać głupio brzmiące pytanie: co jest, a czego nie ma w nanotechnologii? Inaczej mówiąc: co jest wymysłem dziennikarskim, a co rzetelną prawdą? Od czego to wszystko się zaczęło?

Tak naprawdę chyba od zbudowania skaningowego mikroskopu tunelowego. Udało się to z początkiem lat osiemdziesiątych. Odkrycia dokonali uczeni Binnig Gerd (ur.1947) i Rohrer Heinrich (ur.1933) /Nobel 1986 łącznie z E. Ruska/. Termin "odkrycie" jest chyba najbardziej adekwatny, bardziej niż "skonstruowanie", bo zaledwie dwadzieścia lat temu ludzie nie wierzyli, że można zobaczyć atomy. Przeprowadzano szereg bardzo przekonujących obliczeń i symulacji, które pokazywały, że dostępne fizyczne metody zawiodą. Mikroskop optyczny nie pozwala zobaczyć przedmiotów mniejszych niż długość fali, która dla fioletu – krańca zakresu widzenia – wynosi ok. 0.4 mikrometra. Tymczasem rozmiar dużych wirusów to ok. 0,1 mikrometra. Mikroskop elektronowy, zbudowany przez E. Ruska w 1933 roku, pozwala uzyskać powiększenia rzędu 250 000, lecz to ciągle za mało. Jedynym urządzeniem, w którym czasami udawało się zobaczyć atomy, był jonowy mikroskop tunelowy. Niestety, zasada jego pracy ogranicza obserwacje do bardzo szczególnych warunków. Jest ona zresztą tak banalna, że daje się wyjaśnić ledwie w kilku słowach. Sprowadza się ona do tego, że potrafimy otrzymać ostrze o bardzo małym promieniu. Umieszczamy je w próżniowej bańce naprzeciw ekranu. Jeśli do igiełki przyłożymy napięcie kilku tysięcy woltów o znaku minus, z samego czubeczka zaczną wylatywać elektrony i pobiegną do ekranu, na którym zostanie odwzorowany rozkład gęstości prądu na jego powierzchni. Jest rzeczą zaskakującą, lecz lepszy obraz otrzymamy, gdy do bańki napuścimy nieco helu i odwrócimy kierunek zasilania. W pierwszym przypadku możliwe było zobaczenie zarysów ostatniego kryształu na czubku ostrza, w drugim – w sprzyjających okolicznościach – można było otrzymać efektowny obraz ułożenia w nim atomów. Uzyskane powiększenie szacuje się na 5 mln. Ponieważ niewiele materiałów dawało się w ten sposób obejrzeć (były to tylko niektóre metale), zastosowanie samego urządzenia ograniczyło się do bardzo niewielu zagadnień.

Nikt nawet nie marzył, żeby oglądać "normalną" powierzchnię. Panował pogląd, że jest to nie tylko niemożliwe, ale bezcelowe, ponieważ ulega ona ciągłym przemianom, atomy wylatują w przestrzeń, dyfundują w głąb materiału. Jeśli nawet coś zobaczymy, za chwilę będzie to całkiem nieaktualne. Z tych właśnie przyczyn, że teoretycznie mikroskop skaningowy powinien być całkiem nieprzydatny i konstrukcyjnie niemożliwy, raczej powinniśmy mówić o odkryciu, jak o skonstruowaniu.

Trzeba tu od razu powiedzieć, że zasada pracy urządzenia wydawała się zbyt prosta, wręcz naiwna. To nie mogło się udać.

Uczeni wymyślili, że zbliżą ostrze do powierzchni na tak niewielką odległość, że zacznie płynąć tak zwany prąd tunelowy. Co to jest? Mechanika kwantowa przewiduje takie zjawisko: materia może się z pewnym prawdopodobieństwem przedostawać przez przeszkodę, jeśli jest ona bardzo cienka i jeśli tego, co się przedostaje, jest bardzo mało. Wyliczenia pokazały, że jeśli elektrony będą miały do "przeskoczenia" odległość rzędu średnicy atomowej, to zjawisko zachodzić będzie na tyle intensywnie, że da się zauważyć. Elektrony tunelują równie dobrze od podłoża do ostrza i w drugą stronę, lecz gdy przyłożymy napięcie, popłynie prąd. We współczesnych mikroskopach ma on natężenie od kilkustumiliardowych do kilkumiliardowych części ampera. Dla porównania, prąd płynący przez żarówkę 100 watów to ok. 0.45 ampera, przez świecące diody płyną prądy o natężeniu setnych części ampera, zegarki elektroniczne są zasilane prądami kilkumilionowych części ampera.

Jeśli nasze ostrze zaczniemy przesuwać nad powierzchnią w kontrolowany sposób i rejestrować zależność prądu od położenia, to może nam się udać odtworzyć górki i doliny pod przesuwającą się igłą. Jeśli trafimy na coś wystającego, to popłynie większy prąd, gdy będzie dolina – zmaleje. Sęk w tym, że przesuwać trzeba z niesłychaną dokładnością, jeśli chcemy operować w skali nano, zwłaszcza gdy marzy się nam zobaczenie pojedynczych molekuł, powiedzmy najlepiej 1/10 średnicy atomu. Czy coś takiego jest w ogóle możliwe? Okazało się, że mamy niemal gotowe rozwiązanie techniczne dzięki odkrytemu jeszcze przez Piotra Curie zjawisku piezoelektrycznemu. Niektóre kryształy, na skutek przyłożonego z zewnątrz pola elektrycznego, zmieniają minimalnie swoje wymiary. Takie własności ma między innymi kwarc. Otrzymane przesunięcia są właśnie tego, co trzeba, rzędu. Siłowniki piezoelektryczne były już wcześniej stosowane do pozycjonowania masek przy naświetlaniu układów scalonych. Wystarczyło nieco (kilka tysięcy razy) zmniejszyć sterujące napięcie i gotowe.

Aby uświadomić sobie, jak karkołomne to przedsięwzięcie, dodam, że obszar, nad jakim przesuwa się igła, jest mniejszy zazwyczaj wielokrotnie od czubka igły, jaki daje się zaobserwować w najlepszych optycznych mikroskopach. Geometrycznie wygląda to mniej więcej tak, jakby za pomocą Alp próbować wysondować Tatry. Jeśli się okaże, że nie ma jednego zdecydowanie najwyższego szczytu, to niestety, trzeba wymienić igłę, bo nie dostaniemy żadnego obrazu. To, czy się cokolwiek uda zobaczyć w skali atomowej zależy zawsze od szczęścia.

 

Jak głosi legenda, pierwsze uruchomienie mikroskopu nastąpiło przy współpracy z rejestratorem X-Y. Coś, co jest urządzeniem jeszcze prymitywniejszym od plotera (czy jest jeszcze ktoś, kto pamięta jak wygląda ploter?). Obecnie urządzenia te współpracują tylko i wyłącznie z komputerem. Na ekranie monitora jest wyświetlana mapa rozkładu prądów na badanej powierzchni. Komputer steruje ruchami siłowników piezoelektrycznych oraz pomocniczymi urządzeniami.

Ciekawym technicznym szczegółem jest to, w jaki sposób zbliża się próbkę i ostrze na tak niewielką odległość. Ręcznie jesteśmy w stanie podsunąć dwa przedmioty na dystans kilku dziesiątych milimetra. Tymczasem trzeba zejść do ułamka miliardowej części metra. To tak, jakby z Księżyca celować w Ziemię tyczką z dokładnością do dziesiątek centymetrów. Zazwyczaj operacja jest podzielona na dwa etapy. Po ręcznym dosunięciu (czasami za pomocą śruby mikrometrycznej) na ułamki milimetra rusza napęd piezoelektryczny. Pomysłów jest tu wiele, lecz wszystkie opierają się na tym, że siłowniki, zazwyczaj dokładnie te same, które potem służą do skanowania powierzchni, wykonują ruchy o amplitudzie ok. 1/1000 mm. Zazwyczaj przesuwana jest próbka. Stosunkowo najprostszym, bardzo skutecznym rozwiązaniem jest położenie próbki na belce z piezoelektryka. Najpierw wykonuje ona szybki ruch "do tyłu", podczas którego próbka (w odpowiednim uchwycie) ślizga się po belce, potem przesuwa się powoli do przodu bez poślizgu. W ten sposób próbka "jedzie" posłusznie w jednym kierunku skokami po 1/1000 milimetra. Gdy układ pomiarowy wykryje przepływ prądu tunelowego, operacja jest przerywana.

Innym rozwiązaniem jest "gąsienica". Belka piezoelektryczna ma doklejone dwie stopki z metalu. Jest ustawiona na alodynowanej płycie aluminiowej. Ta zaś pokryta cieniutką warstwą utlenionego glinu, który jest doskonałym izolatorem. Gdy przyłożymy napięcie do jednej ze stopek i płyty, na skutek sił elektrostatycznych będą się przyciągać. Jeśli teraz wydłużymy belkę, przykładając do jej elektrod napięcie, przesunie się druga stopka. Teraz do niej podłączymy napięcie i skrócimy belkę. Powtarzając cykl, możemy przesuwać całą maszynerię do przodu.

W mikroskopie bardzo dobrze znalazły się tak zwane bimorfy, ceramiczne struktury złożone z dwu materiałów, z których jeden pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego się kurczy, a drugi – rozciąga. Takie konstrukcje wyginają się w kontrolowany sposób. Sprytnym rozwiązaniem z zastosowaniem bimorfów jest tak zwany "psi ogon", rurka złożona z dwu warstw, najczęściej dwu rurek sklejonych ze sobą. Odpowiedni układ elektrod pozwala wyginać ją we wszystkie strony oraz kurczyć i wydłużać.

Mechaniczna konstrukcja mikroskopu z "psim ogonem" jest wyjątkowo prosta: mocuje się na nim uchwyt ostrza i doprowadza przewody z zasilaniem. Oczywiście musimy także dodać mechanizm dosuwający próbkę, ale on nie działa podczas pomiarów, wszelkie niezbędne ruchy wykonuje sam "psi ogon".

 

Gdy już jesteśmy przy technicznych szczegółach, to warto dodać, że STM – taki jest powszechnie używany akronim na skaningowy mikroskop tunelowy – działa na dwa różne sposoby. Jeden polega na utrzymywaniu stałej powierzchni skanowania, niezależnej od krzywizny próbki, drugi – znacznie częściej stosowany – na utrzymywaniu stałego natężenia prądu tunelowego podczas skanowania. W tym drugim modzie pracy ostrze jest przysuwane i oddalane w zależności od tego, czy trafi na górkę, czy na dolinkę. W uproszczeniu można powiedzieć, że ruchy ostrza odtwarzają geometryczny wygląd powierzchni. W skali atomowej nie jest to takie proste, ale na pierwszy rzut oka można powiedzieć, że rejestrując napięcie sterujące odległością ostrza od powierzchni, odtwarzamy jej realną topografię.

W pierwszym trybie, nazywanym "ze stałą odległością", rejestrujemy zmiany prądu tunelowego. Niestety, jego zależność od odległości jest eksponencjalna – prąd bardzo silnie maleje, gdy odległość rośnie. Pomimo tego, że komputery znakomicie logarytmują, jest to już przeszkoda w odtworzeniu kształtu powierzchni. Trzeba sobie uzmysłowić na koniec, że w skali atomowej zaczyna odgrywać poważną rolę to, że nasze makroskopowe, statystyczne pojęcia, jak "powierzchnia", mają się nijak do tworu, który faktycznie obserwujemy – orbitali atomowych (bo atomy nie krążą po okrągłych czy eliptycznych orbitach, tak się tylko mówi w uproszczonym modelu Bohra). Oba typy pracy mają swoje wady i zalety i bywają stosowane oczywiście stosownie do tego, co chcemy uzyskać.

Po zbudowaniu STM udało się zmajstrować jeszcze bardziej karkołomne i niemożliwe urządzenie – mikroskop siły atomowej, od nazwy angielskiej zwany AFM. Jego działanie polega na tym, że na elastycznej taśmie mocujemy ostrze i zbliżamy do badanej powierzchni. W pewnym momencie pierwszy atom ostrza zaczyna odczuwać działanie sił atomów powierzchni. To nieprawdopodobne, ale udaje się zarejestrować wyginanie się taśmy pod ich wpływem. Uzyskujemy to, świecąc na lusterko zamocowane na niej laserem i rejestrując ruchy plamki za pomocą dwu fotodiod umieszczonych tuż obok siebie. Zasadniczą zaletą AFM jest możliwość oglądania nieprzewodzących materiałów, takich jak na przykład mika. Jest ona zresztą dość typowym materiałem testowym, który łatwo uzyskać z czystą powierzchnią. Wystarczy zerwać za pomocą plastra kawałek kryształu.

To, co na początku było wielkim zaskoczeniem dla starych doświadczalnych wyg, to fakt, że wszystkie te urządzenia mogą pracować w powietrzu. Dla STM odległość ostrze-próbka jest taka, jak średnia droga swobodna elektronu w powietrzu (owa "średnia droga swobodna" jest ścisłym terminem fizycznym, lecz znaczy to mniej więcej tyle samo, co potocznie przypisalibyśmy tym słowom). Jeszcze dziwniejsze jest to, że udaje się oglądać powierzchnie zanurzone w cieczach. Dzięki temu AFM budzi wielkie nadzieje w badaniach biologicznych.

 

W całym tym niewątpliwie za krótkim wprowadzeniu do nanotechnologii pominąłem szereg problemów, jak choćby izolację urządzenia od mechanicznych drgań. Początkowo wydawało się to bardzo poważnym technicznym problemem, współczesne konstrukcje STM pracują na dłoni. Natomiast trudnym zagadnieniem są wszelkiego rodzaju termiczne dryfy. Psują pomiary, nie pozwalają – po odjechaniu ostrza od próbki – trafić w to samo miejsce (pamiętamy o skali odległości: trafiamy tyczką z Księżyca w miejsce na Ziemi). Rzecz całą wypada zakończyć niejasną obietnicą, że może się uda napisać ciąg dalszy, w którym będzie co nieco o nanorurkach, operacjach na pojedynczych atomach i innych skutkach włamania w świat nano.

 

Składam serdeczne podziękowania dr Bogdanowi Barwińskiemu za pomoc w przygotowaniu tego artykułu, i dr Przemysławowi Godowskiemu za pomoc w przygotowaniu artykułu "O tym, po co komuś nic".

 

Pomysł na elektryczny schemat STM.

Materiał piezoelektryczny (tu zaznaczony na niebiesko) pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego kurczy się nieco lub wydłuża.

Za pomocą trzech piezoelektrycznych belek możemy zbudować prosty mechanizm, który umożliwi ruch ostrza w trzech wymiarach. Pamiętajmy, że w tej skali belki się nieco wygną.

Tak działa (w przesadzie) bimorf.

Animacja przedstawia zasadę działania piezoelektrycznej "gąsienicy". By nie zaciemniać rysunku, nie narysowano zasilania układu. Strzałka wskazuje stopkę, która jest aktualnie przyciągana do podłoża przez pole elektryczne.

Uproszczony schemat konstrukcji "psiego ogona". Kolorem niebieskim i pomarańczowym zaznaczono dwie warstwy piezoceramiczne.

Tak może wyglądać mechaniczny schemat budowy STM bez uwzględnienia mechanizmu podsuwania próbki. Po prostu ostrze zamocowane nad próbką na "psim ogonie". Całość nie może leżeć bezpośrednio na stole, potrzebna jest jakaś izolacja przeciwwibracyjna, lecz może za nią posłużyć nawet ręka badacza.

Zasada działania mikroskopu siły atomowej (AFM).

Wyniki bardzo ważnych badań nad powierzchnią lateksu, z którego wyrabia się prezerwatywy. Ponieważ przeróżne ośrodki rozpuszczają pogłoski, jakoby przez ten materiał mogły przenikać plemniki, postanowiliśmy poszukać odpowiednich dziur. Dla informacji: rozmiar ludzkiego plemnika z ogonkiem to ok. 60 mikrometrów, rozmiar największego obszaru skanowania to 13,4x 13,4 mikrometra, więc plemniczek nie zmieści się w odpowiedniej skali na żadnym obrazku. Dziur, jak widać, nie znaleźliśmy.

Próba obserwacji powierzchni miki w skali atomowej. Jak można się spodziewać, widzimy rzędy atomowe. Na rysunkach odtwarzających powierzchnię w trzech wymiarach możemy doszukać się równo poukładanych kupek, prawdopodobnie atomów.

Tak wygląda jeden z bohaterów naszego opowiadania, mikroskop siły atomowej.

 




 
Spis Treści
451 Fahrenheita
Literatura
Bookiet
Recenzje
Zatańczysz pan...
(Spam) ientnika
Zapytaj GINa
Komiks
HOR-MONO-SKOP
Ludzie listy piszą
Konkursy
Andrzej Pilipiuk
Paweł Laudański
Piotr K. Schmidtke
Adam Cebula
W. Świdziniewski
Adam Cebula
Tomasz Pacyński
Konrad Bańkowski
Paweł Leszczyński
Idaho
Adam Cebula
Krzysztof Kochański
Łukasz Kulewski
Piotr Schmidtke
Konrad Bańkowski
Alexandra Janusz
Marta Sadowska
KRÓTKIE SPODENKI
Dawid Brykalski
Krzysztof Sochal
Andrzej Ziemiański
Romuald Pawlak
Elisabeth Moon
Elisabeth A. Lynn
Harlan Ellison
Robert Silverberg
Tomasz Piątek
XXL
 
< 26 >