Elektromikroskopi
En nanoteknologs hverdag omhandler ting som er så små at man ikke kan se dem ved bruk av lysmikroskoper. Elektronmikroskop bruker elektronstråler og ikke lys og veldig kort fortalt kan dette gi mye bedre oppløsning fordi et elektrons bølgelengde er mye lavere enn et foton. Siden de kan forstørre mye mer enn lysmikroskop kan man med elektronmikroskop få vakre bilder av verdener som har vært helt ukjent for oss frem til disse instrumentene kom på banen og åpnet denne verdenen for oss. Bildene er ofte vakre, noe kunstnere som Michael Oliveri eller David Scharf benytter seg av i sitt arbeide. Elektronmikroskop kan gi oss gode bilder, men de kan også gjøre mye mer enn bare å forstørre en prøve. De kan fortelle oss hvordan atomer er organisert, hvilke elementer (fra den periodiske tabellen) som er i en prøve og til og med hvordan atom-nettverkene i krystaller er orientert. På grunn av disse instrumentenes anvendelighet er de uvurderlige instrumenter for en nanoteknolog. Her skal vi gå igjennom litt av hva et elektronmikroskop kan gjøre og hvorfor det er verdt prisen.
Elektronmikroskoper kan mer enn å forstørre, men forstørre gjør de særdeles bra. På NTNU i Trondheim står det flere elektronmikroskop, et av dem kan se ting helt ned til 200 picometer, eller 0.2 nanometer det vil si mikroskopet har over 8 millioner gangers forstørrelse. Å kunne studere en prøve med en slik oppløsning åpner mange muligheter for studering av ting som tidligere var helt ukjent.
Elektronmikroskop har vært i bruk siden slutten av 1930-tallet og har gitt oss en enorm innsikt i en rekke felt. I medisinsk sammenheng har vi kunnet studere strukturer inne i celler med fantastisk detalj, vi har kunnet lære mye om hvordan celler er bygget opp og hvordan de fungerer. Elektronmikroskop kan brukes til diagnostisering av kreft av den grunn. Samtidig har elektronmikroskop åpnet dører for mikrobiologer gjennom å tillate detaljerte studier av ørsmå strukturer. Studier av virus og sammensetningen av små molekylære enheter inne i bakterier kan utføres med elektronmikroskop. For eksempel bakteriers flagella – en liten proteinmotor bakterier bruker for å bevege seg. Elektronmikroskoper har også blitt brukt til å studere strukturen til proteiner. Materialteknologer har lært mye om hvordan materialer er bygget opp, hvordan atomene er festet sammen i forskjellige materialer, hvordan materialer reagerer på stress og mye mer.
HVA ER ELEKTRONMIKROSKOP?
Sveipe-Elektron Mikroskop. Elektronstrålen kan sveipes frem og tilbake over prøven (illustrert ved blå og røde stråler her)ved hjelp av sveipe-spolene (runde med X i). Resulterende røntgenstråler, reflekterte og spredte elektroner – eller til og med lys kan plukkes opp av spesialiserte detektorer
Det finnes to hovedgrupper elektronmikroskop. Sveipe-Elektronmikroskop (SEM) og Transmisjons-elektronmikroskop (TEM). Begge virker ved å skyte en fokusert elektronstråle gjennom vakuum (eller en gass med veldig lavt trykk for spesielle SEM ved navn Environmental SEM) ned til en prøve, og gjennom den hvis instrumentet er en TEM. Elektronene fokuseres og forstørrelsen bestemmes ved hjelp av elektromagnetiske eller -statiske linser. Fordelen med disse fremfor den typen linser et lysmikroskop kan bruke er at du kan justere egenskapene underveis – man trenger ikke bytte objektiv for å endre forstørrelse.
Med en SEM kan man studere mange typer prøver av forskjellig sammensetning og forskjellig størrelse mens TEM trenger prøver som er omtrent hundre nanometer tykke eller mindre, slik at elektronene ikke blir stoppet av prøven – omtren t
Instrumentet «ser» prøven ved å plukke opp signalene som kommer tilbake (eller gjennom) prøven. Dette kan være mange forskjellige signaler som inneholder informasjon om hvordan prøven ville sett ut for oss, hvilke elementer fra den periodiske tabellen som er i den, hvordan atomene i prøven er bundet sammen og mye mer.
SE PRØVENS SAMMENSETNING…
Bildet viser materialkomposisjon av en konstruert mikrostruktur. Øverst til venstre: Strukturbilde. De neste fem bildene viser tettheten av karbon (rødt), okstgen (grønt), silisium (blått) kopper (turkis) og gallium (gult). Bildet er tatt av Maximillian Erlbeck og Vegar Ottesen
Elektronmikroskop kan mer enn bare å forstørre. Et elektronmikroskop er et instrument som lar forskere se på sammensetning også; Elektronmikroskop kan se hvilke atomer som er i en prøve, og hvor mye av hvert materiale som er i den kan også (med litt mer arbeid) avdekkes. Hvis du lurer på om et smykke virkelig ER laget av den legeringen gullsmeden har sagt at det er kan et riktig utstyrt elektronmikroskop besvare spørsmålet. Man kan se om det er rent gull, eller om det har nikkel, kobber eller andre bestanddeler også – og hvor mye av disse andre elementene som eventuelt er der. Selv om egenskapen kan være av interesse hvis du kjøpte smykker på tilbud fra en litt shady gullsmed er det kanskje mer av interesse for forskere som jobber med nye legeringer og nye halvledermaterialer for bruk i neste generasjons elektronikk-enheter eller forskere som vil analysere mineralprøver.
Mange av et materiales egenskaper avhenger av hvilke atomer som er i materialet, og hvor stor andel det er av hvert element. Spesielt viktig er dette for elektronikk hvor man er helt avhengige av at man har riktig andel av riktige element på riktig plass i de elektroniske enhetene. Men, det er mer enn bare sammensetningen i denne forstand som er viktig.
…OG STRUKTUR!
Materialet Austenitt (En struktur jern kan ha) har en såkalt Face-Centered Cubic krystallstruktur. 3D-strukturen vist til høyre viser hvordan jern-atomene (grønne kuler) er satt sammen. Denne kuben repeteres ufattelig mange ganger, litt som identiske legoklosser festet sammen med hverandre på alle seks sidene. Denne strukturen kan bestemmes ved hjelp av diffraksjonsbildet til venstre – pluss litt matematikk.
Mange materialegenskaper kommer fra hvordan atomene er organisert i det vi kaller «krystallstruktur». Som et eksempel er krystallstrukturen viktig for bruddmekanismer. Hvilken krystallstruktur materialet har bestemmer ofte hvordan brudd i materialet vil oppføre seg, det skjer i retninger bestemt av strukturen. Samtidig er avvik fra krystallstrukturen – defekter – viktig å vite om siden dette gir materialet svakheter og kan bestemme mye av materialets elektroniske egenskaper også. Elektronmikroskop er gode instrumenter om vi vil forstå hvordan slike sprekker oppfører seg, og hvordan materialer oppfører seg når de faktisk opplever brudd. Når et brudd oppstår i et materiale er retningen til dette bruddet typisk sterkt påvirket av hvilken krystallstruktur materialet har. Å vite hvordan atomene i et materiale er bundet sammen er derfor av betydelig viktighet. Elektronmikroskoper kan hjelpe oss her også. Gjennom en rekke forskjellige teknikker, gjerne basert på fenomenet diffraksjon, kan man med et elektronmikroskop studere hvordan atomene er plassert i materialet man studerer. Figuren i høyre marg viser et slikt eksempel for materialet Austenitt. Ut fra et diffraksjonsmønstersom kan minne litt om en veldig ordnet stjernehimmel kan man finne ut hvordan atomene er plassert i materialet. For Austenitt danner de strukturen som er vist, men en lang rekke forskjellige strukturer finnes.
Det å kjenne til krystallstrukturen er viktig. Men det er også viktig å kunne si noe om hvordan krystallene er orientert inne i materialet. Se for deg at du bruker krystallstrukturen som en legokloss og bygger flere store klosser av dem. Så legger du alle klossene sammen i en boks og rister. De store klossene du lagde vil ikke alle være orientert likt – de ligger hulter-til-bulter, og slik er det også med mange materialer, for eksempel metaller som stål og aluminium. De består av mange små krystall-korn som er orientert i forskjellige retninger. Hvor store disse kornene er, hvordan de orienterer seg relativt hverandre kan ha en del å si for materialets mekaniske egenskaper.
Elektronmikroskoper koster ofte noen millioner kroner og får ofte egne rom dedikert til deres bruk. Dette kan virke som mye penger, men mikroskopene har gitt oss en sterkt økt forståelse av verden rundt oss, det har lært oss mye om hvordan livets minste byggeklosser faktisk er bygget opp, de kan vise oss strukturen til virus og hjelpe kreftforskere og mikrobiologer til å bedre gjøre deres arbeid. Samtidig har elektronmikroskop hjulpet oss til å forstå hvordan materialer er bygget opp på atomær skala, og hvordan de vil oppføre seg i forskjellige bruksområder – noe som er utrolig viktig i alt fra bygging av fly, broer og oljeplatformer til micro-chipene i den digitale enheten du leser dette på. Elektronmikroskop er veldig viktige og anvendelige hjørnesteins-instrumenter i mang en forsker og teknologs hverdag. Hvem vet hva fremtidig bruk og forbedringer av dette instrumentet kan bringe av ny, viktig kunnskap.
