Mikroskop, który widzi więcej

Ludzkim oczom bardzo daleko do dokładności mikroskopu. Widzimy gładkie powierzchnie białych biurek, czerwonych aut czy zielonych liści drzew. Ale nie jesteśmy w stanie rozróżnić faktury czy szczegółów materiału lub substancji, z których są zbudowane. To możemy tylko zobaczyć, korzystając ze specjalnych urządzeń, takich jak mikroskop sondy skanującej, który umożliwia obserwację powierzchni próbek z atomową rozdzielczością.

Ale nawet urządzenia, które są tak czułe, że ujawniają tajemnice świata w nanoskali, można jeszcze udoskonalić. Właśnie tego dokonali dr hab. inż. Andrzej Sikora i mgr inż. Łukasz Bednarz z wrocławskiego oddziału Instytutu Elektrotechniki. - Opracowaliśmy zaawansowane sterowanie systemem skaningowej mikroskopii termicznej - wyjaśnia. O co chodzi? Trzeba sobie wyobrazić igłę, najlepiej taką jak w starych gramofonach. W mikroskopie termicznym igła - a właściwie sonda - porusza się nad powierzchnią badanego materiału, pozwalając odtworzyć jej kształt. Ponieważ sonda jest jednocześnie miniaturowym elektrycznym grzejnikiem i termometrem, w każdym z punktów próbki możemy zmierzyć właściwości termiczne powierzchni i stworzyć ich mapę.

Dotychczas pomiar wyglądał tak, że sonda pozostawała nad każdym punktem powierzchni przez taki sam czas. Czy udało się właściwie zmierzyć parametr, czy nie, system nie przewidywał zróżnicowanych czasów pomiaru. - To może prowadzić do zniekształcenia odwzorowania obszarów o zróżnicowanych temperaturach czy współczynnikach przewodności cieplnej, czyli po prostu błędnego pomiaru - opowiada Sikora.

Biorąc pod uwagę stopień skomplikowania całego urządzenia, problem udało się rozwiązać w dość prosty sposób. - Sygnały pomiarowe analizujemy w sposób ciągły, a to daje dodatkowe możliwości - wyjaśnia naukowiec. Jeśli np. temperatura sondy ustabilizuje się, co świadczy o zakończeniu pomiaru, to igła może się szybciej przesunąć dalej. Z drugiej strony, gdy odczyty parametrów jeszcze się zmieniają pomimo upływu czasu, który standardowo był przeznaczany na pomiar w jednym punkcie, igła wciąż pozostaje na miejscu do momentu dokonania dokładnego pomiaru. Dzięki temu zbieranie danych tą techniką jest dokładniejsze. - W skrajnych przypadkach rozwiązanie zapobiega sytuacjom, w których na skutek inercji układu bardzo małe obiekty mogłyby zostać nawet pominięte i przez to w badaniach nad materiałem mogłyby się pojawić bardzo poważne błędy interpretacyjne - tłumaczy dr Andrzej Sikora.

Ten wynalazek jest bardzo istotny, bo coraz częściej mamy do czynienia z nanomateriałami. - Jak na razie skaningowa mikroskopia termiczna to jedyne narzędzie, które pozwala na przeprowadzenie diagnostyki właściwości cieplnych materiału w tej skali - tłumaczy inżynier z Wrocławia. Na przykład gdy do polietylenu dodamy nanokrzemionkę (nanometrowej wielkości ziarna dwutlenku krzemu), nowo powstałe tworzywo sztuczne ma inne właściwości niż w przypadku dodania do niego krzemionki większych rozmiarów. Co to może obchodzić zwykłego Kowalskiego? Nawet nie będąc świadomym, korzysta on już na co dzień z nanomateriałów, np. powłoki z nanowypełniaczami (np. z dwutlenkiem tytanu) stosowane w motoryzacji podnoszą odporność lakierów na zarysowanie i destrukcyjne działanie promieniowania UV. - Badanie nanomateriałów to przyszłość. Na przykład fuleren to cząsteczki w kształcie piłki zbudowane z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla lub też nanorurki węglowe, które mogą być wykorzystane do zmniejszenia rezystancji materiałów przewodzących. Dzięki naszemu wynalazkowi można dokładnie określić, jak te cząstki układają się w materiale, tworząc najbardziej efektywne konfiguracje - mówi Sikora.

Poza tym za pomocą tej metody można też badać właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne czy mechaniczne. Jest tak dokładna, że oglądając dysk twardy, można rozróżnić zapisane na jego talerzach poszczególne bity informacji. Zaletą tej mikroskopii jest także to, że przygotowanie badanej próbki jest bardzo proste. Poddawaną badaniu żywą tkankę można trzymać w elektrolicie, a nie jak np. w przypadku mikroskopów elektronowych - w próżni. I urządzenie nie traci nic ze swojej czułości. Mikroskop termiczny wykorzystywany jest przy badaniu właściwości grafenu. Z kolei w projekcie finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ten sposób badane są ogniwa fotowoltaiczne na bazie chemii organicznej.

Zapotrzebowanie na mikroskopy termiczne to kilkaset urządzeń rocznie na całym świecie. Ale są to urządzenia bardzo drogie. Ich ceny w zależności od wyposażenia i możliwości pomiarowych wahają się od 300 tys. zł do 2 mln zł. - Dzięki naszej nowatorskiej metodzie badanie może być kilkukrotnie szybsze. Biorąc pod uwagę, że pojedynczy pomiar trwa kilkadziesiąt minut, a badanie jednej próbki materiałowej może być liczone nawet w dniach (maszyna działa wtedy bez przerwy), można w dużym stopniu zwiększyć efektywność tej pracy - mówi wynalazca. Dotychczas nie ma jednak podmiotu, który wynalazek chciałby kupić i komercyjnie rozwijać.

Za pomocą tej metody można badać właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne czy mechaniczne. Jest tak dokładna, że oglądając dysk twardy, można rozróżnić zapisane na nim poszczególne bity informacji

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.813.jpg@RY2@

Tomasz Walków

Dr hab. inż. Andrzej Sikora z wrocławskiego oddziału Instytutu Elektrotechniki

Maciej Miłosz

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.814.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.815.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.816.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.817.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.818.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.819.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.820.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.821.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.822.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.823.jpg@RY2@

@RY1@i02/2015/107/i02.2015.107.00000230a.824.jpg@RY2@