Stepan Lisovsky, mahasiswa PhD di MIPT, seorang karyawan Departemen Nanometrologi dan Nanomaterials, berbicara tentang prinsip dasar nanometrologi dan fungsi berbagai mikroskop dan menjelaskan mengapa ukuran partikel bergantung pada cara pengukurannya.
Berpikir referensi
Sebagai permulaan - tentang metrologi sederhana. Sebagai suatu disiplin, itu bisa saja muncul di zaman kuno, kemudian banyak yang berdebat tentang ukuran - dari Pythagoras hingga Aristoteles - tetapi tidak muncul. Metrologi gagal menjadi bagian dari gambaran ilmiah dunia pada waktu itu karena Aristoteles yang sama. Selama berabad-abad yang akan datang, ia menetapkan prioritas deskripsi kualitatif fenomena di atas deskripsi kuantitatif. Semuanya berubah hanya dalam waktu Newton. Makna fenomena "menurut Aristoteles" tidak lagi memuaskan para ilmuwan, dan penekanannya bergeser - dari bagian semantik deskripsi ke bagian sintaksis. Sederhananya, diputuskan untuk melihat ukuran dan tingkat interaksi antara berbagai hal, dan tidak mencoba memahami esensi mereka. Dan ternyata jauh lebih berbuah. Kemudian tibalah saat-saat terbaik dalam metrologi.
Tugas terpenting metrologi adalah memastikan keseragaman pengukuran. Tujuan utamanya adalah untuk memisahkan hasil pengukuran dari semua detail: waktu, tempat pengukuran, dari siapa yang mengukur dan bagaimana dia memutuskan untuk melakukannya hari ini. Akibatnya, seharusnya hanya tersisa apa yang selalu dan di mana-mana, terlepas dari apapun, benda-benda akan menjadi miliknya - ukuran objektifnya, yang menjadi miliknya berdasarkan realitas yang umum bagi semua. Bagaimana cara mendapatkan benda itu? Melalui interaksinya dengan alat pengukur. Untuk itu, harus ada metode pengukuran yang seragam, serta standar yang sama untuk semua.
Jadi, kami telah belajar mengukur - yang tersisa hanyalah agar semua orang di dunia mengukur dengan cara yang sama seperti yang kami lakukan. Ini mengharuskan mereka semua menggunakan metode yang sama dan menggunakan standar yang sama. Orang-orang dengan cepat menyadari manfaat praktis dari memperkenalkan sistem pengukuran tunggal dan setuju untuk mulai bernegosiasi. Sistem pengukuran metrik muncul, yang secara bertahap menyebar ke hampir seluruh dunia. Omong-omong, di Rusia, manfaat memperkenalkan dukungan metrologi adalah milik Dmitry Mendeleev.
Hasil pengukuran selain nilai kuantitas sebenarnya juga merupakan pendekatan yang dinyatakan dalam satuan pengukuran. Jadi, meteran terukur tidak akan pernah menjadi Newton, dan ohm tidak akan pernah menjadi tesla. Artinya, besaran yang berbeda menyiratkan sifat pengukuran yang berbeda, tetapi, tentu saja, tidak selalu demikian. Satu meter kawat ternyata adalah satu meter baik dalam hal karakteristik spasial, konduktivitas, dan massa zat di dalamnya. Satu kuantitas terlibat dalam fenomena yang berbeda, dan ini sangat memudahkan pekerjaan seorang ahli metrologi. Bahkan energi dan massa ternyata setara sampai batas tertentu, oleh karena itu massa partikel supermasif diukur dalam bentuk energi yang dibutuhkan untuk membuatnya.
Video promosi:
Selain nilai besaran dan satuan ukurannya, ada beberapa faktor penting lainnya yang perlu Anda ketahui tentang setiap pengukuran. Semuanya terkandung dalam teknik pengukuran khusus yang dipilih untuk kasus yang kita butuhkan. Semuanya diatur di dalamnya: sampel standar, dan kelas akurasi instrumen, bahkan kualifikasi peneliti. Mengetahui bagaimana menyediakan semua ini, berdasarkan metodologi, kami dapat melakukan pengukuran yang benar. Pada akhirnya, penerapan teknik ini memberi kita jaminan dimensi dari kesalahan pengukuran, dan seluruh hasil pengukuran dikurangi menjadi dua angka: nilai dan kesalahannya, yang biasanya digunakan oleh para ilmuwan.
Ukur yang tak terlihat
Nanometrologi bekerja dengan hukum yang hampir sama. Tetapi ada beberapa nuansa yang tidak bisa diabaikan. Untuk memahaminya, Anda perlu memahami proses dunia nano dan memahami apa sebenarnya fitur mereka. Dengan kata lain, apa yang istimewa tentang nanoteknologi.
Kita harus mulai, tentu saja, dengan dimensi: satu nanometer per meter hampir sama dengan satu orang Cina di populasi Cina. Skala ini (kurang dari 100 nm) memungkinkan serangkaian efek baru. Di sini, efek fisika kuantum, termasuk tunneling, dan interaksi dengan sistem molekuler, serta aktivitas biologis dan kompatibilitas, dan permukaan yang terlalu berkembang, yang volumenya (lebih tepatnya, lapisan dekat permukaan) sebanding dengan volume total objek nano itu sendiri. Properti ini adalah harta karun berupa peluang bagi ahli nano dan pada saat yang sama, kutukan bagi ahli nano. Mengapa?
Intinya adalah, karena adanya efek khusus, objek nano memerlukan pendekatan yang sepenuhnya baru. Mereka tidak dapat dilihat secara optik dalam pengertian klasik karena keterbatasan fundamental pada resolusi yang dapat dicapai. Karena sangat terikat pada panjang gelombang radiasi tampak (Anda dapat menggunakan interferensi dan sebagainya, tetapi semua ini sudah eksotis). Ada beberapa solusi dasar untuk masalah ini.
Semuanya dimulai dengan proyektor elektronik otomatis (1936), yang kemudian dimodifikasi menjadi auto-ionik (1951). Prinsip operasinya didasarkan pada gerakan bujursangkar elektron dan ion di bawah aksi gaya elektrostatik yang diarahkan dari katoda skala nano ke layar anoda dari dimensi makroskopik yang sudah kita butuhkan. Gambar yang kami amati di layar terbentuk di atau dekat katoda karena proses fisik dan kimia tertentu. Pertama-tama, ini adalah ekstraksi elektron medan dari struktur atom katoda dan polarisasi atom dari gas "pencitraan" di dekat ujung katoda. Setelah terbentuk, gambar dalam bentuk distribusi ion atau elektron tertentu diproyeksikan ke layar, di mana itu dimanifestasikan oleh kekuatan fluoresensi. Dengan cara yang elegan ini, Anda dapat melihat struktur nano pada ujung yang terbuat dari logam dan semikonduktor tertentu,tetapi keanggunan solusi di sini terkait dengan batasan yang terlalu ketat pada apa yang dapat kita lihat, sehingga proyektor ini belum menjadi sangat populer.
Solusi lain adalah pengertian permukaan secara harfiah, pertama kali diwujudkan pada tahun 1981 dalam bentuk mikroskop probe pemindai, yang dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1986. Seperti yang bisa Anda tebak dari namanya, permukaan yang akan diperiksa dipindai dengan probe, yaitu jarum runcing.
Scanning Probe Microscope
© Institut Max Planck untuk Penelitian Solid State
Sebuah interaksi muncul antara ujung dan struktur permukaan, yang dapat ditentukan dengan akurasi tinggi bahkan oleh gaya yang bekerja pada probe, bahkan oleh defleksi probe yang timbul, bahkan oleh perubahan frekuensi (fase, amplitudo) dari osilasi probe. Interaksi awal, yang menentukan kemampuan untuk menyelidiki hampir semua objek, yaitu universalitas metode, didasarkan pada gaya tolak yang timbul dari kontak dan gaya van der Waals jarak jauh. Hal ini dimungkinkan untuk menggunakan gaya lain, dan bahkan arus tunneling yang muncul, memetakan permukaan tidak hanya dalam hal lokasi spasial pada permukaan objek nano, tetapi juga properti lainnya. Penting bahwa probe itu sendiri berskala nano, jika tidak probe tidak akan memindai permukaan,dan permukaan adalah probe (berdasarkan hukum ketiga Newton, interaksi ditentukan oleh kedua objek dan, dalam arti tertentu, secara simetris). Namun secara keseluruhan, metode ini ternyata universal dan memiliki kemungkinan yang terluas, sehingga menjadi salah satu yang utama dalam studi struktur nano. Kelemahan utamanya adalah sangat memakan waktu, terutama jika dibandingkan dengan mikroskop elektron.
Mikroskop elektron, omong-omong, juga merupakan mikroskop probe, hanya berkas elektron terfokus yang bertindak sebagai probe di dalamnya. Penggunaan sistem lensa membuatnya secara konseptual mirip dengan optik, meski bukan tanpa perbedaan besar. Pertama dan terpenting: elektron memiliki panjang gelombang lebih pendek daripada foton, karena sifatnya yang besar. Tentu saja, panjang gelombang di sini bukan milik partikel, elektron, dan foton, tetapi mencirikan perilaku gelombang yang terkait dengannya. Perbedaan penting lainnya: interaksi benda dengan foton dan elektron sangat berbeda, meskipun tidak tanpa ciri umum. Dalam beberapa kasus, informasi yang diperoleh dari interaksi dengan elektron bahkan lebih berarti daripada dari interaksi dengan cahaya - namun, situasi sebaliknya tidak jarang.
Dan hal terakhir yang harus diperhatikan adalah perbedaan antara sistem optik: jika benda material secara tradisional merupakan lensa untuk cahaya, maka untuk berkas elektron ini adalah medan elektromagnetik, yang memberikan kebebasan lebih besar untuk memanipulasi elektron. Inilah "rahasia" pemindaian mikroskop elektron, gambar yang, meskipun terlihat seperti diperoleh di mikroskop cahaya konvensional, dibuat hanya untuk kenyamanan operator, tetapi diperoleh dari analisis komputer tentang karakteristik interaksi berkas elektron dengan raster (piksel) terpisah pada sampel yang kemudian dipindai. Interaksi elektron dengan benda memungkinkan untuk memetakan permukaan dalam kaitannya dengan relief, komposisi kimia, dan bahkan sifat pendaran. Berkas elektron mampu melewati sampel tipis,yang memungkinkan Anda untuk melihat struktur internal objek tersebut - hingga lapisan atom.
Ini adalah metode utama untuk membedakan dan menyelidiki geometri objek pada tingkat skala nano. Ada yang lain, tetapi mereka bekerja dengan seluruh sistem objek nano, menghitung parameternya secara statistik. Berikut adalah difraktometri sinar-X bubuk, yang memungkinkan Anda mengetahui tidak hanya komposisi fase bubuk, tetapi juga sesuatu tentang distribusi ukuran kristal; dan elipsometri, yang mencirikan ketebalan film tipis (sesuatu yang tidak tergantikan dalam penciptaan elektronik, di mana arsitektur sistem dibuat terutama dalam lapisan); dan metode penyerapan gas untuk analisis luas permukaan tertentu. Bahasa tersebut dapat dipecah dengan nama beberapa metode: hamburan cahaya dinamis, spektroskopi elektroakustik, relaksometri resonansi magnetik nuklir (namun, ini hanya disebut relaksometri NMR).
Tapi itu belum semuanya. Misalnya, muatan dapat ditransfer ke partikel nano yang bergerak di udara, setelah itu medan elektrostatis dapat dihidupkan dan, tergantung pada bagaimana partikel dibelokkan, ukuran aerodinamisnya dapat dihitung (gaya gesekannya terhadap udara tergantung pada ukuran partikel). Ngomong-ngomong, dengan cara yang sama, ukuran nanopartikel ditentukan dalam metode hamburan cahaya dinamis yang telah disebutkan, hanya kecepatan dalam gerakan Brown yang dianalisis, dan terlebih lagi secara tidak langsung, dari fluktuasi hamburan cahaya. Diameter partikel hidrodinamik diperoleh. Dan ada lebih dari satu metode "pintar" seperti itu.
Banyaknya metode yang tampaknya mengukur hal yang sama - ukuran, memiliki satu detail yang menarik. Nilai ukuran dari satu objek nano yang sama sering kali berbeda, terkadang bahkan terkadang.
Ukuran apa yang benar?
Saatnya mengingat metrologi biasa di sini: hasil pengukuran, selain nilai terukur sebenarnya, juga ditentukan oleh akurasi pengukuran dan metode pengukuran yang dilakukan. Dengan demikian, perbedaan hasil dapat dijelaskan oleh perbedaan akurasi dan perbedaan sifat dari nilai yang diukur. Tesis tentang sifat yang berbeda dari ukuran yang berbeda dari nanopartikel yang sama mungkin tampak liar, tetapi kenyataannya demikian. Ukuran nanopartikel dalam hal perilakunya dalam dispersi air tidak sama dengan ukurannya dalam hal adsorpsi gas di permukaannya dan tidak sama dengan ukurannya dalam hal interaksi dengan berkas elektron di mikroskop. Belum lagi fakta bahwa untuk metode statistik tidak mungkin berbicara tentang ukuran tertentu, tetapi hanya tentang nilai yang menjadi ciri ukuran. Tetapi terlepas dari perbedaan ini (atau bahkan berkat mereka), semua hasil ini dapat dianggap sama benarnya, hanya mengatakan sedikit tentang hal-hal yang berbeda, melihat dari sudut yang berbeda. Namun, hasil ini dapat dibandingkan hanya dari sudut pandang kecukupan mengandalkan mereka dalam situasi tertentu: untuk memprediksi perilaku nanopartikel dalam cairan, lebih memadai menggunakan nilai diameter hidrodinamik, dan seterusnya.
Semua hal di atas berlaku untuk metrologi konvensional, dan bahkan untuk catatan fakta apa pun, tetapi hal ini sering diabaikan. Kita dapat mengatakan bahwa tidak ada fakta yang lebih benar dan kurang benar, lebih konsisten dengan kenyataan dan kurang (kecuali mungkin pemalsuan), tetapi hanya ada fakta yang lebih dan kurang memadai untuk digunakan dalam situasi tertentu, serta didasarkan pada lebih dan lebih sedikit. interpretasi yang benar untuk ini. Para filsuf telah mempelajari hal ini dengan baik sejak zaman positivisme: fakta apa pun dimuat secara teoritis.
