Как работает электронный микроскоп? [Veritasium]

[музыка] Это крошечный кусочек металла размером всего 3 мм. А вот что произойдёт, если рассмотреть его под увеличением в 1ты000 раз, в 100. 000 раз и в 50 млн раз.

Каждый из этих пятнышек- отдельный атом. Я увидел их на днях в Сиднейском университете, и это меня потрясло, потому что ещё 30 лет назад считалось, что вот так напрямую увидеть атомы невозможно. Кабинеты, которые я сейчас вам покажу, пожалуй, самые защищённые не только в этом университете, но и во всём Сиднее.

Вероятно, они ещё и самые дорогие. >> Ничего себе. Почему же атомы сложно увидеть?

Их невозможно разглядеть в видимом свете. Дело в том, что длина волны света составляет от 380 до 750 н, а атом в 3. 000 раз меньше, всего 0,1 нм.

А если длина волны намного больше, чем объект, который нужно рассмотреть, то свет будет его огибать и ничего не получится. В общем, если хотите увидеть атомы, нужны гораздо более короткие волны. А для этого подходит, как ни странно, электроны.

В 1924 французский физик Луи Бройли установил, что всё в некотором роде обладает волновыми свойствами. Не только свет, но и материя, атомы, молекулы. Даже мы сами имеем длину волны.

И формула для неё постоянная планка, делённая на импульс объекта, то есть на массу, умноженную на скорость. Что же у нас тут есть? Это колонна микроскопа, в которой мы разгоняем электроны до 300 кв.

>> Электроны до 300 кв. >> Да, это релятивистские скорости. >> Как быстро они движутся?

99% от скорости света. >> Около 80%. >> 80%?

>> Да. Да. >> И какая же длина волны?

>> Длина волны - это постоянная планка, делённая на импульс. Верно? Если посчитаем, то получим примерно от двух до пикометров.

>> Ого. Да, >> примерно в 200-300. 000 раз меньше, чем видимый свет.

То есть теоретически можно получить разрешение в сотни тысяч раз выше. Вскоре после открытия Дебройли группа учёных в Германии начала разрабатывать микроскоп, который бы использовал быстрые электроны. Но проблема в том, что их нельзя сфокусировать стеклянными линзами.

Как же быть? Немецкий физик Ханс Буш предположил, что с этим может помочь электромагнитная линза. Статью об этом он опубликовал в 1926, но саму линзу так и не сделал.

К счастью, его работа попала в руки молодому амбициозному аспиранту Эрнсту руски. Руска создал первый прототип. Он смотал проволоку в катушку и поместил её в железный корпус с отверстием в середине.

Когда он пропустил ток через катушку, возникло электромагнитное поле в виде бублика. Это и была та самая линза. Но её нужно было проверить.

Накалив вольфрамовую нить, такую же как в обычной лампе. Русско получил свободные электроны. Затем он их ускорил, пропустив через положительно заряженные анот и направил к электромагнитной линзе.

Когда электрон приближается к линзе, на него воздействует магнитное поле. И если электрон движется вдоль оси Y, магнитное поле направлено по оси X, возникает сила Лоренса, отклоняющая электрон Z. Двигаясь в этом направлении внутри бубликообразной линзы, электрон пересекает другие линии магнитного поля.

Траектория искривляется всё сильнее, и он движется по окружности. Круговое движение приводит к тому, что сила Лоренса толкает электронну, закручивая его по спирали к центру. Если проследить путь всех электронов, то мы увидим, что они постепенно собираются вместе.

Так происходит фокусировка. К 1931 году Русска и его коллега Макс Кноль создали первый электронный микроскоп с этой конструкции. Он был довольно примитивным, держался на болтах, но работал.

Чтобы получить изображение какого-нибудь объекта, его помещали в точку, где сходились все лучи. Образец при этом должен был быть около 100 нанометро толщиной. Через более тонкие его участки проходило больше электронов.

Так получался своего рода электронный отпечаток. Вторая электромагнитная линза его увеличивала и проецировала на флуоресцентный экран, где и формировалось изображение. Так работал просвечивающий электронный микроскоп или ПМ.

Однако первые версии микроскопа не давали сильного увеличения. По сути они даже не превосходили обычные оптические микроскопы. Но русско не опустил руки.

В последующие годы он добавлял к микроскопу всё больше линз в попытках добиться всё большего увеличения. К середине 1930 ему удалось достичь увеличения в 10. 000 раз.

Теперь можно было получать детальное изображения насекомых бактерий и даже вирусов с разрешением превосходящим возможности оптических микроскопов. Но когда микроскоп русский начал набирать популярность, немецкий физик-теоретик Отта Шерцер в своей статье заявил, что тот вот-вот упрётся в непреодолимый барьер. У электромагнитных линз, писал он, существует принципиально неустранимый изъян.

Линза собирает электроны в точке фокуса, отклоняя их на определённый угол. Давайте немного упростим траекторию и обозначим нужный угол отклонения, как тета. Угол зависит от того, как далеко по горизонтали электрон оптической оси, где именно его надо сфокусировать, то есть какой у линзы фокусное расстояние.

Чем оно короче, тем сильнее увеличение. Угол тета будет меняться практически пропорционально тому, на каком расстоянии от оси находится электрон. Но проблема в том, что магнитное поле ведёт себя иначе.

Оно гораздо сильнее возле самого магнита. Из-за этого электроны, которые влетают в линзу дальше от оси, отклоняются под большим углом, чем те, которые оказываются ближе к центру, из-за чего собираются они чуть раньше. Получается, что фокус находится не в одной точке, а как бы растянут вдоль оптической оси.

Это размывает края изображения, и чем сильнее увеличение, тем больше искажений. Явление называется сферической аберацией. Оно характерно для всех оси симметричных магнитных линз.

Да и не только магнитных. Любая сферическая линза в фотоаппарате, телескопе или даже улупы страдает от той же проблемы. Однако существует удивительно простой способ свести её к минимуму.

Нужно добавить ещё одну линзу, но не собирающую, а рассеивающую. Она тоже подвержена сферической аберации, но как бы в обратную сторону. Поэтому, если взять две линзы, которые искажают изображение в одинаковой степени, и поставить одну за другой, их орации компенсируют друг друга.

Так можно практически полностью устранить размытость. Этим пользуются почти все современные объективы для фотоаппаратов и микроскопов. Чтобы решить проблему рассеивания в электронном микроскопе, можно было бы сделать аналог рассеивающей линзы, но это физически невозможно.

У любого магнита есть два полюса. Создать магнит с одним полюсом нельзя. Даже если разрезать его пополам, выйдет просто два магнита поменьше.

Все силовые линии магнитного поля начинаются на одном полюсе и заканчиваются на другом, образуя с магнитом замкнутый контур. >> Это прямое следствие второго уравнения Максвола. Создаваемое поле имеет силовые линии, которые начинаются и заканчиваются на том же магните.

Поэтому электроны всегда пересекают линии поля дважды. При первом прохождении сила Лоренса вовлекает их в спиральное движение. При втором пересечении уже с изменённым направлением из-за этого спирального движения они отклоняются к оси.

Вот почему все электромагнитные линзы по своей природе фокусируют пучок, но никогда его не рассеивают. >> Даже если запускать электроны с противоположной стороны линзы, они всё равно будут фокусироваться. Именно это доказал Отто Шерцер в своей работе 1936, поставив крест на развитии ПМ.

Создать магнитную ось асимметричную линзу с рассеивающим эффектом невозможно. Это, конечно, было серьёзным препятствием для развития электронных микроскопов. Стало ясно, как бы мы не разгоняли электроны, сферическая операция всегда будет ограничивать увеличение.

Из-за этого ограничения прогресс в области резко замедлился. В 1955 году другой тип микроскопа опередил ПМ и получил то, что считается первым изображением отдельных атомов. Металлическую иглу со стариём в несколько атомов бомбардировали ионами гелия или неона.

Игла была положительно заряжена. Когда атомы газа сталкивались с ней, они ионизировались и отлетали перпендикулярно поверхности, благодаря чему можно было получить изображение. Но у метода были ограничения.

Он показывал только структуру самого кончика иглы, а качество изображения оставляло желать лучшего. К счастью, электронный микроскоп русский не навсегда остался в мире насекомых и бактерий. Несмотря на ограничение Шерцера, следующие 40 лет работа над просвечивающим электронным микроскопом не утихала.

Учёные различными методами пытались повысить разрешение. Наибольших успехов добился британско-американский физик Альберт Круп. Он заменил вольфрамовую нить, испускавшую электроны хаотично, на более направленный источник.

Вместо испарения электронов с нагретой поверхности Кру предложил отрывать их сильным электрическим полем. С помощью острого вольфрамового наконечника создавался узкий пучок, яркость которого превышала достигнутую ранее в тысячу раз. Этот пучок Крувместил со знакомым многим устройством, электронно-лучевой трубкой телевизора.

В ней электронный луч сканировал экран, покрытый люминофором, который светился при попадании на него электронов. Изменя интенсивность электронного луча, можно было регулировать яркость свечения экрана и получать чёрно-белые изображения. Взяв на вооружение этот принцип, КРУ разработал для ПМ сканирующий луч, который обследовал наноскопический образец.

В отличие от традиционного метода, при котором изображение формируется целиком, система Крубила картинку из отдельных фрагментов. Попытки сделать сканирующую версию PE предпринимались и раньше. Немецкий исследователь Манфред фон Арде ещё в 1930 создал прототип, который был уничтожен во время Второй мировой войны.

Кру возродил разработку Ардены, внёс несколько радикальных усовершенствований к 1970 впервые получил изображение отдельных атомов с помощью электронного микроскопа. Разработку почти сразу стали применять для исследования всевозможных атомов. Благодаря десятилетиям усилий, которые приложили русские, КРУ и многие другие, возможности ПМ достигли пика.

Однако проблема Шерцера оставалась нерешённой. Сферическая аберация устанавливала жёсткий предел для увеличения. Даже сам Кру после долгих лет работы отказался от попыток её преодолеть.

К сожалению, у нас так и не получилось. После множества отчаянных попыток мы были вынуждены признать поражение. Примерно в это же время появился и другой тип микроскопов, позволяющий увидеть атомы.

Они работают, обследуя образец сверхмаленьким зондом. Он регистрирует квантовые эффекты или наноразмерные силы, позволяя построить карту поверхности. Такие микроскопы было проще производить, а поскольку линзы в них не нужны, снялась проблема аберации.

А ещё они давали трёхмерные изображения, но оставалась проблема. По сути, эти зонды не видели атомы. Они их скорее ощупывали.

Но в 1980х-190 других вариантов не было. Однако, может, стоило попробовать другой подход? Шерцер доказал, что создать рассеивающую ось а сисимметричную линзу невозможно, но если отказаться от симметрии, отпадает и само ограничение.

Сложность в том, что осевая симметрия - ключевое свойство любой линзы. Если её нарушить, изображение искажается. [музыка] Но трое учёных новаторов посчитали, что решение существует.

Это были Кнут Урбан, Максимилиан Хайдер и Харальд Роза. В научном сообществе их знали как возмутителей спокойствия. Почти никто не интересовался их исследованиями, и уж тем более никто не хотел их финансировать.

И на то была везкая причина. Идея у них была, мягко говоря, безумная. Они предлагали брать асимметричные линзы и намерены искажать изображение.

Они понадеялись, что в процессе хотя бы какая-то область изображения будет искажаться определённым образом, так чтобы выправить картинку, пострадавшую от сферической операции исходной линзы, и принялись за работу. Искажения они создавали с помощью сложной системы электромагнитов с шестью восьмью или даже десятью отдельными катушками, которые создавали неоднородное магнитное поле. Эти устройства были известны как гексопольные, окпольные и декапольные магнитные линзы.

При прохождении через гексопольный магнит электронный пучок деформировался, преобразуя плоское изображение в треугольную седловидную структуру. Периферийные электроны смещались к трём угловым точкам, а внутренняя область пучка растягивалась. Центральная часть приобретала слабую вогнутую кривизну, создавая эффект небольшого расхождения пучка.

Затем розы Хайдер и Урбан пропускали пучок через второй гексопольный элемент, который работал в противофазе, и он восстанавливал искажённые изображения, возвращая ему оригинальную форму. На этом этапе, по их расчётам, в центре изображения сохранялись следы слабого расхождения, а сферическая операция была обратной. Таким образом, если всё правильно собрать и рассчитать, при прохождении изображения со сферической операцией через эти две линзы искажение можно было скорректировать.

Наверное, многим, кто занимался этим вопросом, их идея показалась безумной. >> Речь не только о самой концепции, но и о её технической осуществимости. Считалось, что такое попросту невозможно.

>> В мае 1997 оставалось несколько месяцев до того, как у троих изобретателей кончится финансирование от последнего спонсора. Ситуациюбляло и то, что новая версия линзы существовала лишь в чертежах. Однако к 23 июля, когда денег оставалось всего на неделю, линза была готова к испытаниям.

Они установили её в микроскоп, но, как и все предыдущие прототипы, она оказалась нестабильной и не работала. Они решили отключить оборудование на 24 часа, чтобы дать магнитам успокоиться. А затем в 2:00 ночи двачетого числа снова включили систему и почти волшебным образом изображение стабилизировалось.

Не было никаких операций, только прекрасные, чёткие изображения атомов. Больше полувека разработок. И вот, наконец, невозможное свершилось благодаря Урбану, Розы и Хайдеру.

Этот метод позволил повысить разрешение ПМ до рекордных нуля,13 ннометра. Типичное изображение на ПМ изменилось с такого на такое. Спустя несколько месяцев после прорыва КНУ Урbн представлял результат работы на конференции по микроскопии.

Однако из-за репутации команды ему дали маленький зал. Казалось, доклад обречён остаться незамеченным. Новость о том, что снимки Урбана подлинные, разнеслась быстро, и на входе в зал собралась толпа из сотен человек.

Люди выстроились в очередь снаружи, надеясь увидеть эти поразительно чёткие изображения. Итак, нам нужен держатель для образца. >> Да, вот мы достаём держатель для образца и помещаем его под оптический микроскоп.

Сам образец представляет собой тонкую пластинку, которую без микроскопа не разглядеть. Да, вот здесь видно. >> Отлично.

Над буквой B находится штырёк. >> Да, и там на самом верху с левой стороны как будто небольшой волосок. Это наш образец.

[музыка] >> Хорошо. Вот теперь я увеличу масштаб и настрою ещё пару вещей. Такие микроскопы называются просвечивающими, потому что электроны всегда проходят сквозь образец.

Здесь мы видим весь образец целиком. Очень важно правильно его сориентировать, потому что атомы выстроены строго вдоль прямой линии, как бусины на нитке. Если смотреть вдоль этой оси, мы увидим чёткое изображение.

Но при случайной ориентации всё будет размыто. Именно поэтому нам нужно немного повернуть образец. Вот так его хорошо видно.

Титанат строн. Это тонкий участок, который можно просветить. >> Здесь увеличение в 5.

000 раз. >> Да. >> Ух ты.

У нас тут стронций, титан, кислород. Виден углерод. Это загрязнение.

Скорее всего, это углеродный артефакт. >> На что нужно ориентироваться при такой настройке фокуса? >> Настраиваю так, чтобы край стал чётким.

>> А вот и атомы. >> Что? Вот так просто.

Невероятно. [музыка] После того, как Урбан, Роза и Хайдер улучшили конструкцию ПМ, Онрей Криваник, независимо от них, решил проблему искажений в сканирующих или растровых электронных микроскопов. А в 2020 году все четверо получили престижную премию Кавли в области нанонауки за достижение того, что большинство считало невозможным.

Благодаря их упорству и изобретательности видеть атомы стало обычным делом. [музыка] Насколько же сильно коррекция операций улучшает изображение? >> Если нужно рассмотреть атомы и, например, измерить расстояние между ними или определить их типы, то коррекция операций необходима.

Это касается любых исследований в материаловедении, инженерии материалов, химической инженерии. В общем, там, где нужно видеть, что происходит на уровне атомов, чтобы связать свойства материалов с их структурой. Не видеть структуру на томарном уровне, значит, располагать лишь половиной информации.

Чёткие изображения всё меняют. Именно поэтому сегодня, в принципе, каждому университету необходим такой микроскоп. Переведено и озвучено студией Верт Рт Дайдер.