Čo sa stane, keď neprestávame približovať? Tajomstvá atómových štruktúr rozkryté

Predstavte si, že si pozriete len drobný kúsok kovu o veľkosti troch milimetrov. Čo by sme videli, keby sme sa naň pozerali stále z bližšia a z bližšia? V dnešnom svete vedy je možné zachytiť jednotlivé atómy v ich najmenších detailoch, niečo, čo bolo pred tridsiatimi rokmi úplne nemysliteľné.

Kľúčové poznatky

• Atómy sú také malé, že ich nemôžeme vidieť pomocou viditeľného svetla. Ich veľkosť sú len okolo 0,1 nanometra, čo je zhruba 3000-krát menšie ako vlnové dĺžky viditeľného svetla.
• Elektrónové mikroskopy, používajúce elektróny namiesto svetla, umožňujú pozorovanie atómov vďaka menšej vlnovej dĺžke elektrónov.
• Sférická aberácia predstavovala významnú prekážku pri zvyšovaní rozlíšenia elektronových mikroskopov. Riešenie prišlo prostredníctvom pokročilých elektromagnetických systémov, ktoré narúšajú tradičnú symetriu magnetických šošoviek.

Ako funguje elektronový mikroskop?

Elektrónové mikroskopy nám otvorili dvere do mikrosveta tým, že využívajú vlastnosti vlnovej dĺžky elektrónov. Na rozdiel od svetelných mikroskopov, kde svetlo sa odráža a láme cez sklenené šošovky, v elektronových mikroskopoch sa elektróny fokusujú pomocou elektromagnetických šošoviek. Tento princíp si osvojil a zdokonalil Ernst Ruska v 30. rokoch 20. storočia pri vývoji prvého pracujúceho prototypu elektronového mikroskopu.

Význam sférickej aberácie

Sférická aberácia bola veľkou prekážkou pri zvyšovaní schopnosti mikroskopov vidieť stále menšie detaily. Dochádza k nej, keď magnetické pole šošoviek neodkláňa všetky elektróny rovnako, čo vedie k rozostreniu obrazu. Aby sa tento problém odstránil, boli vyvinuté i zabudované špeciálne šošovky, ktoré tento defekt korigujú.

Revolučné vylepšenia

Priekopníci ako Kunt Urban, Max Haider a Harold Rose priekopnícky pracovali na technológii, ktorá umožnila korigovať sférickú aberáciu pomocou asymetrických šošoviek. Ich metóda využívala zložité systémy bumpy magnetických polí, čo viedlo k významnému zlepšeniu obrazu elektrónového mikroskopu a umožnilo detailné zobrazenie atomárnych štruktúr.

Dopady a perspektívy

Úspešné odstránenie sférickej aberácie v elektronových mikroskopoch malo zásadný vplyv na mnohé vedecké disciplíny, od materiálových vied až po chemické inžinierstvo. Schopnosť vidieť a merať na atómovej úrovni otvára nové cesty pre vývoj a výskum materiálov budúcnosti.

Pokrok, ktorý dosiahli vedci, nám ukazuje, ako kombinácia vedy a technológie môže prekonať najsilnejšie prekážky. Každá univerzita by mala mať k dispozícii takéto mikroskopy, ktoré umožňujú neustále posúvať naše chápanie sveta o krok vpred.

Odporúčané odkazy na štúdie a dôležité informácie:

1. Berechnung der Bahn von Kathodenstrahlen im axialsymmetrischen elektromagnetischen Felde, H. Busch, 1926 - odkaz
2. Vývoj elektronového mikroskopu a elektronovej mikroskopie, E. Ruska, 1986 - odkaz
3. O. Scherzer, 1936 - odkaz
4. Towards 0.1 nm resolution with the first spherically corrected transmission electron microscope, M. Haider et al., 1998 - odkaz
5. Abrerace-corrected electron microscopy, T. Vogt, 2019 - odkaz

Zavedenie asymetrických magnetických šošoviek akoby malo byť len ďalším krokom v nekonečnom procese vedeckého objavovania. Priekopnícke idey a odhodlanie týchto vedcov znova opätovne potvrdili, že veda má schopnosť objaviť krásu a detail sveta, ako sme ho doteraz nikdy nemali možnosť vidieť.

Približne 70 gCO₂ bolo uvľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.35 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.