Щупаем нано: как изучить тонкую структуру со сверхвысоким разрешением. Источник: depositphotos.com

Щупаем нано: как изучить тонкую структуру со сверхвысоким разрешением

Как известно, до сих пор наиболее распространенным видом микроскопии является оптический микроскоп. Однако для изучения материалов на наноуровне разрешения оптического микроскопа, которое ограничивается дифракционным пределом до значений около 200 нм, уже недостаточно. Детали изучаемой структуры просто меньше длины падающей на нее волны, и изображение «замыливается». Поэтому в области нанотехнологий давно применяются более современные методы микроскопии, наиболее известными и востребованными из которых являются сканирующие зондовые и электронные микроскопы.

В каждом из этих методов есть свои достоинства и недостатки, они хорошо дополняют друг друга и используются по отдельности для решения конкретных задач. Как рассказывает аспирант кафедры нанотехнологий и материаловедения Михаил Жуков, одной из уникальных возможностей зондового микроскопа является изучение биологических объектов в нативном (живом) состоянии в реальном времени с возможностью надрезания поверхности объектов и проведения высокоточных манипуляций с нанообъектами. Например, при использовании электронного микроскопа, который использует вместо луча света пучки электронов, изучаемый объект должен проводить электричество, поэтому под ним невозможно исследовать живой организм. Если нанести на него проводящее покрытие (Au, С, Pt и т. п.), то вскоре живой объект перестанет быть таковым. Работа Михаила Жукова в Университете ИТМО связана с созданием новых типов зондовых датчиков, позволяющих улучшить разрешение и расширить возможности работы сканирующих зондовых микроскопов.

Университет ИТМО. Михаил Жуков
Университет ИТМО. Михаил Жуков

«Если в традиционной оптической микроскопии мы осматриваем объект, а, например, в электронной микроскопии — облучаем его электронами и смотрим ответ, то зондовая микроскопия — это своеобразное ощупывание поверхности с помощью специальной тонкой иголочки (зонда), которая позволяет получить информацию о рельефе поверхности и ее различных локальных характеристиках (силы адгезии, шероховатость, модуль Юнга, распределении зарядов, магнитных полей, вольт-амперных характеристик и так далее). Поэтому данный вид микроскопии имеет довольно широкое применение в различных областях знаний», — объясняет аспирант.

Помимо визуализации топологии поверхности, сканирующая зондовая микроскопия позволяет проводить литографию поверхности, определять жесткость объектов, гладкость структуры, силу адгезии — «липкость», наличие электромагнитных сил и так далее. Для разных целей разрабатываются разные типы зондов, так как геометрия и свойства самого зонда напрямую влияют на возможности и качество получаемого изображения. Например, при исследовании сложных структур с развитым рельефом лучше использовать острые и длинные зонды, позволяющие точнее описать узкие каналы и неровности объекта, при литографии — наиболее стабильные к механическим воздействиям зонды.

Схема работы зондового микроскопа. Источник: wikipedia.org
Схема работы зондового микроскопа. Источник: wikipedia.org

«Моя основная работа связана с разработкой новых типов зондовых датчиков. Например, я занимаюсь созданием зондов с нановискерными структурами. Обычный зонд имеет форму конуса или пирамиды, расширяющейся от острия к основанию, и если на поверхности имеются узкие и глубокие неровности, то стандартный зонд может не до конца в них проникнуть, тем самым снижая достоверность получаемых данных. У нановискера постоянный поперечный размер, причем очень маленький, и с его помощью можно глубоко проникать в поры и отверстия на объекте. Есть зонды со скальпелями, которыми можно проводить высокоточную литографию поверхности, надрезание биологических объектов и прецизионное манипулирование наночастицами, а также другие проекты», — говорит аспирант.

Михаил рассказывает, что его разработки могут применяться в широком спектре научных областей. Так, в области медицинских исследований он использовал зонды с нановискерами для изучения особенностей мембран клеточных структур при различных условиях и с проведением их надрезания — клеточной нанохирургии. Зонды с нановискерами также успешно использовались Михаилом для высокоточной визуализации живых биологических объектов — бактерий, клеток — в жидких средах. В области наноэлектроники были проведены работы по исследованию излучающей поверхности светодиодов, покрытых тонкими штырьками-нанородами: обычный зонд не смог бы проникнуть между нанородами и достать до дна. Кроме того, проведены работы по высокоточной визуализации магнитных полей зондами с нановискерами и созданию малых дифракционных решеток. У сканирующей зондовой микроскопии масса плюсов и возможных сфер применения, однако есть два важных минуса: низкая скорость сканирования и артефакты на получаемом изображении.

Источник: nanotube.ru
Источник: nanotube.ru

«Из-за дефектов зонда или неправильной настройки метода сканирования вы можете получить на изображении артефакт — то, чего на объекте на самом деле нет, - и даже не понять, что это просто искажение, а не особенность поверхности. Поэтому мы стараемся избавляться от артефактов с помощью разработки новых типов зондов, а также программными методами во время постобработки. Здесь тоже важно знать меру и не исказить полезный сигнал. Это очень похоже на обработку обычных фотографий, с тем отличием, что здесь обработка ведется в трех измерениях по XYZ. Например, убирая шум на снимке, можно также убрать полезный сигнал и потерять часть данных самого изображения», — объясняет Михаил Жуков.

Отметим, что разработанные аспирантом прототипы были неоднократно представлены на различных конкурсах. В 2015 году Михаил Жуков стал лауреатом стипендии Президента Р Ф, Аспирантом года 2015 (I место), лауреатом премии КНВШ 2015 и так далее.

Редакция новостного портала
Архив по годам: