Чтение онлайн

По легенде, немецкие физики Макс Кнолль (1897–1969) и Эрнст Руска (1906–1988) натолкнулись на идею электронного микроскопа случайно. Они разрабатывали системы фокусировки и управления пучком электронов и при этом получили изображение объекта, оказавшегося на пути пучка. Возможно, все так и было, но, честно говоря, к тому времени идея уже созрела и лежала на поверхности. Подтверждением этому служит тот факт, что ее реализовали практически одновременно несколько исследователей. В историю по разным причинам вошел Эрнст Руска.

Он родился в Гейдельберге в профессорской семье. После окончания Технического университета в Мюнхене и короткой стажировки в компании “Siemens” Руска в 1928 году приступил к выполнению диссертации в Техническом университете Берлина под руководством Макса Кнолля. Темой работы было воздействие магнитного поля на пучки электронов. Диссертацию Руска защитил лишь в 1934 году – ему пришлось на пару лет отвлечься на создание прототипа электронного микроскопа, а кроме того, в 1933 году он перешел работать в одну из берлинских фирм, где занимался разработкой телевизионных передатчиков и приемников.

В 1937 году Руску пригласили в “Siemens”, где его назначили главным по электронным микроскопам. Руска поразительно быстро превратил созданный за пять лет до этого прототип в коммерческую модель. Уже в 1939 году компания “Siemens” выпустила на рынок электронные микроскопы с разрешающей способностью в десять нанометров. Существенно, что “в комплекте” предлагались методики применения электронной микроскопии в медицине и биологии, их разработкой в компании занимался брат Эрнста Руски – Гельмут, врач по образованию. “Siemens” долгое время была мировым лидером в этой области, соответственно, Руска стал крупнейшим в мире специалистом по электронной микроскопии.В 1955 году Руска возглавил вновь созданный Институт электронной микроскопии в Западном Берлине и одновременно стал преподавать в Техническом университете. Руске посчастливилось дожить до присуждения ему в 1986 году Нобелевской премии по физике. С момента его изобретения миновало пятьдесят пять лет.Первый прибор, собранный Кноллем и Руской, давал увеличение всего в четыреста раз, то есть был ничем не лучше оптических микроскопов. Но это не имело никакого значения, дело было в принципе. Они заменили световой луч пучком электронов. Кроме того, предложили принципиальную схему устройства, которая не претерпела изменений по сей день.

Эта схема чрезвычайно напоминает схему оптического микроскопа, а устройство просвечивающего электронного микроскопа в определенном смысле даже проще, чем у оптического. Во-первых, оптические линзы заменены катушками индуктивности, магнитное поле которых поддается легкой регулировке, по аналогии эта часть устройства получила название магнитных линз. Во-вторых, чрезвычайно упростилась задача получения “света” с определенной длиной волны. Эта величина для электрона зависит от его энергии: разгоняя электроны в электрическом поле, можно плавно регулировать их энергию и соответствующую ей длину волны, вплоть до значений порядка тысячных долей нанометра. Регистрация изображения также не представляла труда, это мог быть и экран, покрытый люминесцирующим составом, и фотопластинка.

Улучшение характеристик просвечивающих электронных микроскопов было делом техники. Сейчас созданы приборы сверхвысокого разрешения, обеспечивающие увеличение в миллион раз. С их помощью, например, мои аспиранты получают фотографии синтезированных ими наночастиц различных солей, на которых видны ровные ряды шариков – составляющих их атомов. Они показывают эти фотографии бестрепетно, как нечто само собой разумеющееся.

В 30–40-е годы о таком разрешении никто даже не мечтал, а если и мечтал, то молча, чтобы не подвергнуться насмешкам со стороны коллег. У просвечивающей электронной микроскопии при ее несомненных достоинствах есть и вполне очевидные, естественные ограничения. Для получения и манипулирования пучками электронов необходим высокий вакуум, таким образом, исследовать можно только твердые и сухие образцы. Кроме того, из самого названия метода следует, что образец должен быть хотя бы частично прозрачен для пучка электронов, для большинства веществ это соответствует толщине образца порядка десятков и сотен нанометров.

Поэтому в просвечивающей электронной микроскопии часто используют косвенный метод исследования. Для этого получают так называемую реплику – тонкий слепок с поверхности изучаемого объекта. Это напоминает процесс получения гипсовых масок или слепков, используемый в других областях человеческой деятельности. Для изготовления, например, углеродных реплик в вакуумированной камере испаряют углерод с угольных стержней, нагретых пропусканием электрического тока, пары углерода конденсируют на поверхность изучаемого объекта, а затем аккуратно отделяют полученную пленку. Толщина такой пленки составляет около десяти нанометров, ее получение само по себе служит воплощением нанотехнологий. Методика эта стала для исследователей настолько привычной, что они зачастую забывают об этом упомянуть, когда демонстрируют полученные фотографии, полагая, что слушателям это и так понятно. Понятно бывает не всем, и это приводит к разного рода недоразумениям.

Необходимо также учитывать, что электроны, используемые в методе просвечивающей электронной микроскопии, разгоняют до очень высоких скоростей. Зависимость тут простая: чем меньшую длину волны мы хотим получить, тем сильнее нам надо разогнать электрон. Понятно, что эти высокоэнергетические электроны оказывают сильное воздействие на вещество. Кристаллы неорганических веществ они прошивают без катастрофических последствий, но вот на органическую молекулу могут подействовать подобно разрывной пуле. Что уж говорить об единичных атомах или небольших молекулах – те просто отлетят в сторону.

Альтернативу методу просвечивающей электронной микроскопии стали искать сразу. Можно даже сказать, что исследования проходили параллельно и независимо, ведь главным тут было использование электронных пучков для получения изображения, а эта идея была довольно очевидной. Один из таких методов был разработан в конце 1930-х – начале 1940-х годов и получил название растровой электронной микроскопии. Массовое производство соответствующих приборов для научных исследований началось в 1960-х годах.

Принципиальное отличие растровой микроскопии от просвечивающей состоит в том, что регистрируют не прошедшие через образец, а отраженные под определенным углом электроны. (Кроме собственно отраженных электронов регистрируют еще вторичные электроны, “выбитые” из атомов анализируемого объекта, а также рентгеновское и другое излучение, порожденное взаимодействием высокоэнергетических электронов с веществом, – это дает много дополнительной информации об изучаемом объекте.)

Тонкий сфокусированный электронный пучок диаметром в несколько нанометров используют в качестве зонда , которым сканируют поверхность объекта, совершая возвратно-поступательные движения по линии или развертывая движение в растр – совокупность близкорасположенных параллельных линий, по которым пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Последнее что-то напоминает, не так ли? Действительно, аналогичный принцип заложен в конструкции электронно-лучевых трубок старых телевизоров. В этом нет ничего удивительного, ведь оба устройства изобрел один и тот же человек – Владимир Козьмич Зворыкин [60] (1888–1982).

Пространственное разрешение растрового (сканирующего) электронного микроскопа зависит в первую очередь от диаметра электронного пучка. Лучшие современные приборы обеспечивают разрешение порядка десятых долей нанометра, что вплотную приближается к размеру атомов. В целом разрешение сканирующих электронных микроскопов хуже, чем у просвечивающих. Но у них есть и свои достоинства: визуализация сравнительно большой области образца, возможность прямого исследования массивных образцов, а не только тонких пленок, а также большая резкость изображения, позволяющая получать “объемные” изображения. При этом желательно присутствие тяжелых атомов с высоким коэффициентом эмиссии вторичных электронов, которые обеспечивают наилучшее изображение. Поэтому перед исследованием на образец часто наносят тонкую (15–20 нм) однородную пленку металла, предпочтительно золота. Это делается путем вакуумного испарения или ионного распыления. Об этом, кстати, тоже забывают сказать, но зато фотографии получаются замечательные, особенно разных микроскопических живых существ.В те же 30-е годы прошлого века Эрвин Мюллер изобрел еще один микроскоп – полевой эмиссионный, или автоэлектронный.Эрвин Мюллер родился в 1911 году в Берлине, там же окончил Технический университет, в 1936 году защитил диссертацию по физике. Работал Мюллер в исследовательской лаборатории компании “Siemens” еще до прихода туда Руски. И принцип действия разработанного им микроскопа был совершенно иным, чем у Руски. Мюллер предположил, что если взять металлическую (электропроводящую) иглу и подать на нее большой отрицательный потенциал, то с кончика иглы будут эмитироваться электроны, которые полетят к положительно заряженной пластинке, покрытой люминесцирующим составом, и воспроизведут на ней увеличенное изображение кончика иглы вплоть до атомарного уровня. Если кто и мечтал увидеть атом воочию, так это Эрвин Мюллер, он на это жизнь положил.

Уже первый вариант микроскопа, созданный Мюллером в 1936 году, обеспечивал разрешение в два нанометра. Это было лучше параметров просвечивающего микроскопа Руски, но Мюллер был недоволен: получить изображение атомов не удавалось.

Он продолжал упорно работать над совершенствованием своего прибора, но тут в дело вмешалась война. После ее окончания Мюллер, как и Руска, оказался в Западном Берлине, где проводил свои исследования в Институте физической химии и электрохимии, одновременно преподавая в Техническом университете. И тут на помощь Мюллеру пришел случай, вернее, две досадные случайности. В высоковакуумную установку по недосмотру попало небольшое количество водорода, а сам исследователь ненароком поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. Пучок заряженных частиц состоял теперь не из электронов, а из положительно заряженных ионов водорода (протонов), и под их действием на пластинке появилось изображение кончика иглы с куда лучшим разрешением, чем в случае электронов. Так был создан ионный полевой микроскоп. С его помощью Мюллер впервые разглядел небольшие молекулы, но ему этого было мало.