Kémiai mikroszkópok: anyagvizsgálat nanométeres skálán

Az infravörös letapogató mikroszkópok új fejezetet nyithatnak az anyagvizsgálatban.

A modern mikroszkópok működési elve az, hogy egy apró pásztázó tű érzékeli az anyag felszínének fizikai állapotát, majd ezek alapján számítógéppel hozzák létre a képet. Arra, hogy egy ilyen eszköz az infravörös tartományban is képes érzékelni a felszín anyagának rezgéseit - felfedve ezzel annak kémiai összetételét -, a németországi Max Planck Biokémiai Intézet kutatói mutattak rá a Nature c. tudományos hetilapban közölt május 13-i cikkükben.
A klasszikus optikai mikroszkópok felbontását a hullámhossz gyakorlatilag alig valamivel egy mikrométer alatt maximálja. Nanométeres nagyságrendű (a milliméter egymilliomod része) szerkezetek vizsgálatára - melyek kutatása egyre fontosabbá válik az elektronikában, az anyagtechnikában és a biológiában -, elektronmikroszkópokat használhatunk. Ehhez azonban magas fokú vákuumra és a vizsgálandó anyag speciális előkészítésére van szükségünk. Sokkal szélesebb körben alkalmazhatók az olyan mikroszkópok, melyek egy apró érzékelőhegyet húznak végig az anyag felületén - mint például az alagútmikroszkóp. A gyenge elektromos áramokat vagy a mechanikus erőket egy számítógép összegzi, létrehozva ezzel a vizsgált felszín térhatású képét. Ezek a módszerek azonban nem képesek megállapítani, hogy milyen az anyagi összetétele.
A Max Planck Intézet fizikusai szerint az infravörös hullámok képesek e hiányosság kiküszöbölésére. A kémiai összetétel megállapításához az anyagok azon tulajdonságát használják fel, hogy minden anyag másképp nyeli el az infravörös hullámokat. Az infravörös spektroszkópiát már régen használják makroszkopikus anyagok vizsgálatára a kémiai és a félvezetőkkel foglalkozó intézetek - ahogyan a fizikai és biológiai kutatóintézetek is. A meglepő újítás az, hogy ezt a technikát minden valószínűség szerint kombinálhatjuk a letapogató hegyű mikroszkópokkal.

Kísérletben ez a következőképpen néz ki: egy több összetevőből álló mintának először elkészítik a topografikus képét a hagyományos, alagútmikroszkópos módszerrel. Ezalatt a letapogatást végző fémhegyre egy infravörös sugarat bocsátanak, mégpedig úgy, hogy az a legtetején koncentrálódjon, így a hegy érzékelheti a vizsgált anyag infravörös elnyelését. Az infravörös kép és a topográfia kombinációja megmutatja, hol vannak a jobban elnyelő területek, azáltal, hogy a kép színe ott sötétebb. Az infravörös hullámok hosszától függően a kép mindig más árnyalatot vesz fel.
A cikk részletesen leírja az anyagi összetétel megállapításának folyamatát is. Jellemez továbbá egy olyan effektust is, amit már a kísérletben részben ellenőriztek. A jelenség lényege, hogy a fémhegyen lévő elektronok felerősítik a minta infravörös elnyelését, ráadásul ezt mesterségesen erősíteni is lehet. Az erősítés módja nagyban befolyásolja az új mikroszkóp teljesítményét, mivel így gyengébben elnyelő anyagok is azonosíthatók, és a felbontás is növelhető.
A kémiai összetétel megállapítására nanométeres nagyságrendnél egyelőre nem ismerünk más módszert. Az optikai mikroszkópok nem észlelik az egyes anyagok összetétel alapján történő fényelnyelését, mivel azok az infravörös tartományban történnek, a 3 és 30 mikrométer közötti hullámhosszakon.
Az eredmények megalapozzák egy olyan általánosan használható infravörös mikroszkóp kifejlesztésének lehetőségét, amelynek minimum 100, de lehet, hogy 10 nanométeres vagy ennél is jobb felbontása lenne. Következő lépésként meg kell valósítani a több frekvencián egyidejűleg történő vizsgálatokat. A megfelelő infravörös lézerek már rendelkezésre állnak. A kémiai mikroszkóp akkor lesz tökéletes, amikor egy minta minden képpontját a teljes infravörös spektrumon vizsgálhatjuk, felfedve a helyi anyagi sajátosságokat. A mikroszkóp fejlesztésének további fontos feltételei: finomabb letapogatók, élesebb optikai megjelenítés és megbízhatóbb mechanikai alkatrészek elkészítése.

Ajánló: