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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Microscopio de sonda de barrido. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. La dirección más joven y al mismo tiempo prometedora en el estudio de las propiedades de la superficie es la microscopía de sonda de barrido. Los microscopios de sonda tienen una resolución récord: menos de 0,1 nm. Pueden medir la interacción entre una superficie y una punta microscópica que la escanea, una sonda, y mostrar una imagen tridimensional en la pantalla de una computadora.
Los métodos de microscopía de sonda permiten no solo ver átomos y moléculas, sino también influir en ellos. En este caso, lo que es especialmente importante, los objetos pueden estudiarse no necesariamente en el vacío (lo que es habitual en los microscopios electrónicos), sino también en varios gases y líquidos. El microscopio de túnel de barrido de sonda fue inventado en 1981 por G. Binning y H. Rohrer (EE. UU.), empleados del Centro de Investigación de IBM. Cinco años más tarde, recibieron el Premio Nobel por este invento. Binning y Rohrer intentaron diseñar un dispositivo para estudiar áreas de superficie menores de 10 nm. El resultado superó las expectativas más descabelladas: los científicos pudieron ver átomos individuales, cuyo tamaño es de solo un nanómetro de ancho. El funcionamiento de un microscopio de túnel de barrido se basa en un fenómeno mecánico cuántico llamado efecto de túnel. Una punta de metal muy delgada, una sonda cargada negativamente, se acerca a la muestra, también de metal, cargada positivamente. En ese momento, cuando la distancia entre ellos alcance varias distancias interatómicas, los electrones comenzarán a pasar libremente a través de él - "túnel": una corriente fluirá a través del espacio. La fuerte dependencia de la intensidad de la corriente de tunelización de la distancia entre la punta y la superficie de la muestra es muy importante para el funcionamiento del microscopio. Si la brecha se reduce en solo 0,1 nm, la corriente aumentará unas 10 veces. Por lo tanto, incluso las irregularidades del tamaño de un átomo provocan fluctuaciones notables en la magnitud de la corriente.
Para obtener una imagen, la sonda escanea la superficie y el sistema electrónico lee la corriente. Dependiendo de cómo cambie este valor, la punta baja o sube. Así, el sistema mantiene constante el valor de la corriente, y la trayectoria del movimiento de la punta sigue el relieve de la superficie, curvándose alrededor de colinas y depresiones. La punta mueve un piezoescáner, que es un manipulador hecho de un material que puede cambiar bajo la influencia de un voltaje eléctrico. Un escáner piezoeléctrico suele adoptar la forma de un tubo con varios electrodos que se alarga o se dobla, moviendo la sonda en diferentes direcciones con una precisión de milésimas de nanómetro. La información sobre el movimiento de la punta se convierte en una imagen de la superficie, que se construye punto por punto en la pantalla. Para mayor claridad, las secciones de diferentes alturas están pintadas en diferentes colores. Idealmente, debería haber un átomo inmóvil al final de la punta de la sonda. Si hay varias protuberancias al final de la aguja, la imagen puede duplicarse o triplicarse. Para eliminar el defecto, la aguja se graba con ácido, dándole la forma deseada. Con la ayuda de un microscopio de efecto túnel, se hicieron una serie de descubrimientos. Por ejemplo, descubrieron que los átomos en la superficie de un cristal están dispuestos de manera diferente que en el interior y, a menudo, forman estructuras complejas. Con la ayuda de un microscopio de efecto túnel, solo se pueden estudiar objetos conductores. Sin embargo, también permite observar dieléctricos delgados en forma de película cuando se colocan sobre la superficie de un material conductor. Y aunque este efecto aún no se ha explicado completamente, sin embargo, se usa con éxito para estudiar muchas películas orgánicas y objetos biológicos: proteínas, virus. Las posibilidades del microscopio son grandes. Con la ayuda de una aguja de microscopio, los dibujos incluso se aplican a placas de metal. Para hacer esto, se utilizan átomos separados como material de "escritura": se depositan en la superficie o se eliminan de ella. Así, en 1991, los empleados de IBM escribieron átomos de xenón en la superficie de una placa de níquel con el nombre de su empresa: IBM. La letra "I" estaba formada por solo 9 átomos, y las letras "B" y "M" - 13 átomos cada una. Binning, Kveit y Gerber dieron el siguiente paso en el desarrollo de la microscopía de sonda de barrido en 1986. Crearon el microscopio de fuerza atómica. Si en un microscopio de efecto túnel el papel decisivo lo desempeña la marcada dependencia de la corriente de efecto túnel con la distancia entre la sonda y la muestra, entonces para el microscopio de fuerza atómica la dependencia de la fuerza de interacción de los cuerpos con la distancia entre ellos es de gran importancia. importancia decisiva. La sonda de un microscopio de fuerza atómica es una placa elástica en miniatura, un voladizo. Además, uno de sus extremos está fijo, mientras que en el otro extremo se forma una punta de prueba de un material sólido: silicio o nitruro de silicio. Cuando se mueve la sonda, las fuerzas de interacción entre sus átomos y la superficie irregular de la muestra doblarán la placa. Logrando tal movimiento de la sonda, cuando la deflexión permanece constante, es posible obtener una imagen del perfil de la superficie. Este modo de funcionamiento del microscopio, llamado modo de contacto, permite medir, con una resolución de fracciones de nanómetro, no solo el relieve, sino también la fuerza de fricción, la elasticidad y la viscosidad del objeto en estudio. El escaneo en contacto con la muestra a menudo conduce a su deformación y destrucción. El impacto de la sonda sobre la superficie puede ser útil, por ejemplo, en la fabricación de microcircuitos. Sin embargo, la sonda puede romper fácilmente la película delgada de polímero o dañar la bacteria, causando su muerte. Para evitar esto, el voladizo se pone en oscilación resonante cerca de la superficie y se registra el cambio de amplitud, frecuencia o fase de las oscilaciones causadas por la interacción con la superficie. Este método permite estudiar microbios vivos: una aguja oscilante actúa sobre una bacteria como un suave masaje, sin causar daño, y permite observar su movimiento, crecimiento y división. En 1987, I. Martin y K. Vikrama-singh (EE. UU.) sugirieron utilizar una microaguja magnetizada como punta de prueba. El resultado fue un microscopio de fuerza magnética. Un microscopio de este tipo hace posible ver regiones magnéticas individuales en el material (dominios) de hasta 10 nm de tamaño. También se utiliza para el registro ultradenso de información mediante la formación de dominios en la superficie de la película utilizando los campos de una aguja y un imán permanente. Tal grabación es cientos de veces más densa que en los modernos discos magnéticos y ópticos. En el mercado mundial de la micromecánica, dirigido por gigantes como IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, también había un lugar para Rusia. La voz de la pequeña empresa MDT de Zelenograd, cerca de Moscú, se escucha cada vez más fuerte. "Copiemos en un plato, 10 veces más pequeño que un cabello humano, un dibujo en roca hecho por nuestros antepasados lejanos", sugiere Denis Shabratov, tecnólogo jefe. A lo largo del "lienzo", y donde toca, una mancha del tamaño de un aparece un átomo. Gradualmente, aparece un ciervo en la pantalla, seguido de jinetes". MDT es el único fabricante de microscopios de sonda y sondas del país. Es una de los cuatro líderes mundiales. Los productos de la compañía se compran en los EE. UU., Japón, Europa. Y todo comenzó con el hecho de que Denis Shabratov y Arkady Gologanov, jóvenes ingenieros de uno de los institutos de Zelenograd en crisis, pensando en cómo vivir, eligieron la micromecánica. Ellos, no sin razón, lo consideraron la dirección más prometedora. “No teníamos complejos de tener que competir con competidores fuertes”, recuerda Gologanov. “Por supuesto, nuestro equipo es inferior a los importados, pero, por otro lado, nos hace astutos, usamos nuestros cerebros. Definitivamente no son peores con nosotros. para arar más que suficiente. Trabajamos día y noche, los siete días de la semana. Lo más difícil no fue ni siquiera hacer una sonda superminiatura, sino venderla. Sabemos que la nuestra es la mejor. en el mundo, lo gritamos en Internet, bombardeamos a los clientes con faxes, en una palabra, nos golpeamos las piernas como esa rana, - cero atención". Al enterarse de que uno de los líderes en la producción de microscopios, la empresa japonesa Joyle, buscaba agujas de una forma muy compleja, se dieron cuenta de que esta era su oportunidad. La orden costó mucha fuerza y nervios, pero recibió una miseria. Pero el dinero no era lo principal, ahora podían declarar a voz en cuello: la famosa "Joyle" es nuestra cliente. De manera similar, durante casi un año y medio, MDT produjo sondas especiales para el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. de forma gratuita. Y apareció un nuevo gran nombre en la lista de clientes. "Ahora el flujo de pedidos es tal que ya no podemos satisfacer a todos", dice Shabratov. Las interrupciones del suministro, su baja calidad, la no obligación de los subcontratistas". La aparición de la microscopía de sonda de barrido coincidió con éxito con el comienzo del rápido desarrollo de la tecnología informática, lo que abrió nuevas posibilidades para el uso de microscopios de sonda. En 1998, se creó un modelo del microscopio de sonda de exploración FemtoScan-001 en el Centro de Tecnologías Avanzadas (Moscú), que también se controla a través de Internet. Ahora, en cualquier parte del mundo, un investigador podrá trabajar en un microscopio, y cualquiera que quiera puede "mirar" en el microcosmos sin salir de la computadora. Hoy en día, tales microscopios se utilizan solo en la investigación científica. Con su ayuda, se realizan los descubrimientos más sensacionales en genética y medicina, se crean materiales con propiedades sorprendentes. Sin embargo, se espera un gran avance en un futuro cercano, principalmente en medicina y microelectrónica. Aparecerán microrobots, entregando medicamentos a través de vasos directamente a los órganos enfermos, se crearán supercomputadoras en miniatura. Autor: Musskiy S.A.
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