Využití elektronové mikroskopie v nanotechnologiích – zábavně a jednoduše

/ 01.06.2024 /

Ve čtvrtek 23. května jsme na ždánické hvězdárně uvítali juniorského mistra ČSSR v plavání, mistra Francie ve volejbalu, ale především skvělého fyzika, prof. RNDr. Jiřího Spoustu, Ph.D., který nás velice zábavnou formou seznámil s principy neskutečně složitého zařízení, které se nazývá elektronový mikroskop.

Zatímco rozlišení světelného mikroskopu je omezeno vlnovou povahou viditelného světla a dokáže zobrazit detaily na úrovni poloviny vlnové délky světla, což odpovídá zvětšení asi 1000x, dokáží rastrovací elektronové mikroskopy zvětšovat asi milionkrát, což odpovídá rozlišení 1,0 – 0,3 nm a transmisní elektronové mikroskopy dokonce stomilionkrát, což odpovídá rozlišení 0,2 – 0,05 nm! Abychom dosáhli takovýchto vpravdě zázračných rozlišení, při kterých jsou dokonce patrné samostatné atomy, používáme namísto světelné vlny elektrony, což jsou z fyzikálního hlediska samozřejmě velice komplikované částice, které se občas chovají jako částice a občas jako vlna, nicméně které nám umožňují nořit se do takto fantastických detailů. V případě přednášky prof. Jiřího Spousty reprezentovaly elektrony pingpongové míčky v rukou návštěvníků a názorně jsme si pomocí nich ukázali, jakým způsobem reagují na elektrické pole. A protože v elektronových mikroskopech je elektrické pole ohromně intenzivní, působí na elektrony obrovská síla a elektrony se tak pohybují velice rychle. Dosahované napětí mezi zdrojem elektronů a zkoumaným vzorkem může být i tisíce voltů. Díky vlnově-částicovému dualismu elektronu jej lze v tuto chvíli považovat za vlnu s velice kratičkou vlnovou délkou, pomocí které lze velice dobře „ohmatávat“ i doslova titěrné předměty. Princip elektronové mikroskopie pak spočívá v tom, že těmito „supermaličkými“ elektrony ostřelujeme zkoumaný předmět, který může být samozřejmě mnohem a mnohem menší, než je vlnová délka viditelného světla. Když chceme vidět malé věci, musíme se dívat ještě menšími věcmi. A potom již jen stačí na superjemný svazek elektronů připojit detektor a postupně měřit množství odražených elektronů, nebo jiných sekundárních částic, místečko od místečka. Tam kde se jich odráží hodně a teče větší proud bude bílá, tam kde je jich méně šedá a tam kde se nenaměří nic černá…

A o jak titěrných předmětech se v rámci elektronové mikroskopie bavíme? Představme si v lese vzrostlý dub o průměru kmene jeden metr a vedle něj lidský vlas. A nyní si ve stejném poměru představme něco, co je tenčí než tloušťka lidského vlasu. Dostáváme se tak do světa tzv. nanostruktur v řádu nanometru. Během přednášky jsme si objasnili rozdíl mezi zvětšením a rozlišením, zajímavosti týkající se vakua, jak vypadá v elektronovém mikroskopu hrot katody emitující elektrony a spoustu dalších věcí přesahujících rozsah tohoto článku. Není také bez zajímavosti, že asi třetina celosvětové produkce elektronových mikroskopů pochází z Brna, což je mimochodem docela nedaleko od Ždánic…

S elektronovou mikroskopií a nanotechnologiemi souvisí mnoho věcí, které nás obklopují a které nám život někdy usnadňují, někdy komplikují. Patří k nim bezesporu i naši každodenní pomocníci, bez kterých bychom si svůj život dokázali představit jen těžko a naše děti už vůbec ne. Televize, počítače, mobilní telefony, internet – to vše se rozvíjí až nepřirozeným tempem: co platilo včera, dnes již neplatí. V přednášce jsme si zábavnou formou nastínili, co jsou to nanotechnologie (a elektronová mikroskopie), které za tím bláznivým kvapíkem rozvoje malých velkých věcí stojí.

Slavný teoretický fyzik a nositel Nobelovy ceny za přínos ke kvantové elektrodynamice Richard Feynman kdysi o mikrosvětě prohlásil „tam dole je spousta místa“. Jeho fyzikální přednášky bývaly proslulé svou zábavností a vtipem a mezi studenty byly velice oblíbené. Přednáška prof. Jiřího Spousty byla přesně ve Feynmanově duchu a byla naprosto skvělá.

Přestože současně s přednáškou probíhal zápas naší hokejové reprezentace na mistrovství světa v Praze, návštěvníci, kteří dali přednost naší hvězdárně určitě nelitovali. Přednáška prof. Jiřího Spousty byla fantastická.

Tento míček je prosím náš elektron a ta šipka vektor intenzity elektrického, resp. magnetického pole...

Princip elektronového mikroskopu - když chceme zobrazit slona, můžeme k tomu využít třeba házení komárů. Naproti tomu komára házením slonů samozřejmě zobrazit nelze…

Prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. ve ždánickém planetáriu.