چرا نمی‌توان با نور مرئی مقياس نانومتر را ديد؟

[parisa]

يک حبه قند برداريد و از نزديک خوب به آن نگاه کنيد. چه می‌بينيد؟ توده‌اي کاملاً سفيد و کمي متخلخل. حال قند را زير يک ذره بين قرار دهيد. واضح است که حبه قند بزرگتر شده است و حفره‌هاي ريزي نيز روي آن ديده مي‌شود. اگر بخواهيم سطح قند را از فاصله نزديک‌تری مشاهده کنيم، بايد آن‌را زير ميکروسکوپ قرار دهيم (احتمالا در آزمايشگاه مدرسه بتوانيد يک ميکروسکوپ پيدا کنيد). در کنار هر ميکروسکوپ نوشته‌ای وجود دارد مانند 100X (يا يک عدد ديگر در کنار X) که مشخص می‌کند آن ميکروسکوپ تصوير را چند برابر می‌کند. به طور مثال اگر روی ميکروسکوپ نوشته شده است 100X، به اين معني است که اين ميکروسکوپ تصوير جسم را 100 برابر مي‌کند. با يک ميکروسکوپ 100X می‌توانيد خلل و فرج روي قند را بصورت حفره‌هايي بزرگ ببينيد. اگر به آزمايشگاه‌هاي تخصصي‌تر و يا پژوهشگاه‌های صنعتی برويد، مي‌توانيد قند را زير ميکروسکوپ‌هايی قوی‌تری قرار داده و تصوير دقيق‌تری از آن‌را مشاهده کنيد. اين ميکروسکوپ‌ها می‌توانند ساختار قند را تا 10000 برابر بزرگ‌تر کنند. اين بزرگنمايی باعث می‌شود که شما ديگر آن جسم سفيد را زير ميکروسکوپ نبينيد. آيا می‌دانيد اين دستگاه کوچک، چگونه تصوير قند را بزرگ مي‌کند؟ شكل 1- حبه قند و ساختار آن زير يک ميكروسكوپ​ اولين کسي که ميکروسکوپ نوری را در سال 400 هجری شمسی بصورت علمي مورد مطالعه قرار داد، ابن هيثم ايرانی بود. با ترجمه کتاب او به لاتين، راجر بيکن مطالعات او را پي گرفت. در قرن 16 ميلادی يانسن اولين ميکروسکوپ چند لنزي را اختراع کرد. پس از او گاليله ميکروسکوپ نوری بسيار دقيق‌تري ساخت. نام ميکروسکوپ (يعني «ديدن در حد ميکرومتر») اولين بار بر اختراع گاليله گذاشته شد. بطور کلي يک ميکروسکوپ نوري از اجزاء زير تشکيل شده است:
1. عدسي چشمي 2. صفحه گردان 3. عدسی‌ شیئی 4. پیچ تنظيم اول 5. پیچ تنظيم دوم 6. صفحه پلاتينی 7. آيينه 8. کندانسور يا ديافراگم​
شكل 2- اجزای يک ميکروسکوپ نوری معمولی​
اساس کار در ميکروسکوپ‌هاي نوري بر مبنای عملکرد عدسی‌ها است. عدسی از شيشه‌هايي با بزرگنمايي بسيار بالا ساخته مي‌شوند، به اين معني که فاصله کانوني آنها بسيار کم است. مسير نور از شيئ تا عدسی چشمی در شکل 3 به طور کامل نشان داده شده است. براي فهم اين شکل کافی است مبحث نور کتاب فيزيک دبيرستان را مرور کنيد. ما در اينجا اشاره کوچکی به عملکرد عدسی‌های شیئی و چشمی خواهيم داشت. عدسي شيئي، مهمترين قسمت يک ميکروسکوپ نوري است. اين عدسی، یک عدسی همگرا با فاصله کانونی کوچک است که تصویری حقیقی، وارونه و بزرگتر از شیء تشکيل می‌دهد. البته برای این منظور شیء مورد نظر باید بین F0 (کانون عدسی شیئی) و 2F0 (نقطه‌ای که فاصله آن از عدسی دو برابر کانون است) عدسی قرار گیرد. عدسي چشمي، مثل ذره بین عمل می‌کند و بزرگنمايي ابتدايي عدسي شيئي را تقويت مي‌کند. توان عدسی چشمی کمتر از عدسی شیئی است و تصوير وارونه عدسی شیئی را به يک تصوير مجازی، بزرگ‌تر و مستقيم تبديل می‌کند. امروزه دستگاه‌های پيشرفته‌تري مانند ميکروسکوپ‌هاي نوري ديجيتال وجود دارند که عملکرد آنها از آنچه در شکل (3) آمده پيچيده‌تر است. شکل 3- مسير عبور نور در يک ميکروسکوپ نوری​ حال به قندمان برگرديم. به نظر شما بزرگترين تصويري که می‌توانيم زير ميکروسکوپ نوری از قند ببینيم چه‌قدر است؟ به نظر شما آيا می‌توانيم ريز ساختارهاي نانومتري قند را در زير ميکروسکوپ ديد؟ اگر پاسخ شما منفی است آيا با تغيير قطر عدسي و يا ساير قسمت‌هاي ميکروسکوپ مي‌توان ساختارهايي نانومتري را مشاهده کرد؟ ما با استفاده از نور مرئی نمی‌توانيم مقياس نانومتر (اندازه‌ای بين 1 تا 100 نانومتر) را ببينيم. البته محدوديت ما ميزان بزرگنمايي عدسي‌هاي در دسترس نيست بلکه مشکل ماهيت نور مرئي و اساس کار ميکروسکوپ‌هاي نوري است. طول موج نور مرئي بين 400 تا 700 نانومتر است. در صورتي‌که مي‌دانيم فضاي نانومتري که ما خواستار بررسي و مشاهده آن هستيم، مقياسي بين 1 تا 100 نانومتر دارد. برای اينکه بدانيم چرا نمي‌توان از طول موج 400 تا 700 نانومتر برای مشاهده 1 تا 100 نانومتر استفاده کرد، بايد با پارامتر "تفکيک‌پذيری" آشنا شويم. شکل 4- طول موج طیف‌های مختلف نور مرئی بر حسب نانومتر​ شما حتما عبارت رزولوشن را بسيار شنيده‌ايد. تفکيک‌پذيری يا رزولوشن پارامتری است که برای دستگاه‌های نوری مختلف (مانند دوربين عکاسی و ...) تعريف می‌شود. به‌طور خاص برای يک ميکروسکوپ، منظور از تفکيک‌پذيری توانايي تمايز گذاشتن بين نقاط نزديک به هم است بطوريکه آنها را نقاطي جدا از هم نشان دهد. بنابراين محدوديت عملکرد يک ميکروسکوپ در کوچکترين فاصله‌اي است که مي‌تواند تميز دهد. در حالت ايده‌آل يک عدسی بايد هر نقطه روي شیئ مورد مطالعه را بعنوان يک نقطه تصوير کند. اما در عمل يک عدسی هر نقطه را بصورت يک دايره توپر نشان مي‌دهد و در نتيجه وضوح تصوير کم مي‌شود. به اين دايره‌ها "ديسک ايري" مي‌گويند. دقت يک ميکروسکوپ، وابسته به قدرت آن در متمايز کردن دو دايره ايری نزديک به هم است. علت به‌وجود آمدن ديسک‌های ايری، پديده پراش است. شعاع‌های موازی نور هنگام عبور از یک روزنه کوچک، از همدیگر دور می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. به اين پديده پراش گفته می‌شود. هر چقدر اندازه روزنه در مقايسه با طول موج نور کوچک‌تر باشد، این پدیده شدیدتر می‌شود. به‌ علت تداخل امواج نور، برخی از این شعاع‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند و برخی به هم اضافه می‌شوند. اگر روزنه عبور نور دايره‌ای شکل باشد، این پدیده باعث ایجاد الگویی به شکل (5) می‌شود که ديسک ايري ناميده می‌شود. شکل 5- ديسک‌های ايری​ اندازه ديسک ايري (یا به‌طور دقیق‌تر قطر اولین دایره سیاهرنگ آن) به دو عامل، اندازه روزنه و طول موج نور بستگی دارد. اندازه ديسک‌های ايری که با طول موج 400 نانومتر تشکيل می‌شود، بسيار بزرگ‌تر از آن است که بتوان فاصله‌های کمتر از 100 نانومتر را مشاهده کرد. همان‌طور که گفتيم طول موج‌های کمتر از 400 نانومتر نيز مرئی نيستند و نمی‌توان برای ديدن از آنها استفاده کرد. براي حل اين مشکل خانواده جديدی از ميکروسکوپ‌ها ساخته شده‌اند که در آنها به جای پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی استفاده می‌شود. نحوه کار ميکروسکوپ‌هاي الکتروني بسيار شبيه ميکروسکوپ‌هاي نوري است با ذکر اين نکته که موج پرتوهای الکترونی بسيار کمتر از پرتوهای نوری است. ميکروسکوپ‌هاي الکتروني به دو دسته ميکروسکوپ‌هاي الکتروني عبوري (TEM) و ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي (SEM) تقسيم مي‌شوند. با استفاده از ميکروسکوپ TEM که بسيار شبيه به ميکروسکوپ‌هاي نوري عمل مي‌کند، اجسامی با اندازه چند آنگستروم ([SUP]10-[/SUP]10متر) را نيز می‌توان مشاهده کرد. وضوح تصوير در اين ميکروسکوپ هزار برابر بيشتر از ميکروسکوپ نوری است. ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي سطح نمونه را با پرتوهای پرانرژي الکترون روبش می‌کنند (روبش از مصدر روبيدن به معنی جارو کردن گرفته شده است، زيرا کار پرتوهای الکترون در اينجا شبيه کار يک جارو است). SEMها تصوير جسم مورد نظر را 10 تا 10000 برابر بزرگ می‌کنند و قدرت تفکيک آنها در حد چند نانومتر است. جدول1. تفاوت‌ ميکروسکوپ‌هاي نوري و الکتروني​ ميکروسکوپ‌هاي الکتروني ميکروسکوپ‌هاي نوري عدسی‌ها از مواد فرو مغناطيسي و يک سيم پيچ مسي ساخته‌شده‌اند و با تغيير جريان در سيم پيچ، فاصله کانوني آنها تغيير مي‌کند. عدسی‌ها از شيشه ساخته شده‌اند و فاصله کانوني آنها ثابت است بزرگنمايي با تغيير فاصله کانوني عدسی‌ها انجام می‌شود. بزرگنمايي با تغيير نوع عدسی‌ که بر صفحه گردان نصب شده، انجام می‌شود. منبع تشعشع روي آنها قرار دارد. منبع تابش زير آنها قرار دارد برای تصويرسازي از الکترون استفاده مي‌کنند برای تصويرسازي از نور مرئي استفاده مي‌کنند در خلاء کار مي‌کنند (چرا که مسير آزاد الکترون‌ها در هوا بسيار کم است) در هر سيالي عمل مي‌کنند بخاطر وجود خلاء موجودات زيستي در زير ميکروسکوپ می‌ميرند انتخاب شي مورد آزمايش آزاد است بزرگنمايي بهتري دارند قيمت کمتري دارند! شايد جالب باشد که بدانيد ميکروسکوپ‌های بسيار قوي‌تري وجود دارند که اجسام را به وسيله نور و يا الکترون نمی‌بينند؛ بلکه آنها از طريق لمس‌کردن سطح نمونه، جسم را مورد مطالعه قرار می‌دهند. اين ميکروسکوپ‌های قوی که ميکروسکوپ‌های پيمايشگر روبشی (Scanning Probe Microscope) نام دارند و به اختصار SPM خوانده می‌شوند، به طور گسترده‌ای برای مشاهده و تعيين مشخصات نمونه‌های نانومتری به کار می‌روند. در اين ميکروسکوپ‌ها، يک قطعه فيزيکی به صورت مکانيکی بر سطح نمونه حرکت می‌کند و آن‌را خط به خط و نقطه به نقطه جارو می‌کند و می‌روبد. اصطلاحا گفته می‌شود که سطح را می‌پيمايد، به همين دليل به اين قطعه پيمايشگر گفته می‌شود. برای اينکه تصوير سطح نمونه را تهيه کنند، مکان پيمايشگر را ثبت می‌کنند. آيا می‌دانيد چه چيز باعث تغيير مکان پيمايشگر می‌شود؟ برای يافتن پاسخ اين سوال بهتر است عملکرد دو ميکروسکوپ پيمايشگر را به‌عنوان نمونه بررسی کنيم. ميکروسکوپ تونل‌زني روبشي (STM) اولين عضو خانواده ميکروسکوپ‌های پيمايشگر روبشی است. اين ميکروسکوپ با استفاده از يك سوزن بسيار ريز تنگستني (که در اينجا نقش پيمايشگر را بازی می‌کند)، اجسام را مشاهده مي‌كند. البته سطح جسمی که زير STM قرار می‌گيرد، بايد رسانا باشد. زمانی‌که سوزن اين ميکروسکوپ در فاصله 1 نانومتري سطح رساناي جسم قرار مي‌گيرد، بر اثر يك پديده كوانتومي جرياني از الكترون‌ها بين نوك سوزن و سطح رسانا برقرار مي‌شود. به اين پديده ”تونل زدن“ گقته مي‌شود. هر چه نوك سوزن به سطح نزديك شود، جريان قوي‌تر مي‌گردد. اگر فاصله سوزن نسبت به يك نقطه مشخصي از سطح ثابت باشد، با حركت آن بر روي سطح و با توجه به پستي و بلندي‌هاي سطح، شدت جريان تونلي تغيير مي‌كند. برای ديدن يک جسم نانومتری، سوزن ميکروسکوپ را بر تمامي نقاط سطح حركت می‌دهند و شدت جريان تونلي را بوسيله رايانه در نقاط مختلف ثبت می‌کنند. با کمک داده‌های ثبت شده، يك شكل سه بعدي از جسم به‌دست می‌آيد. در ميکروسکوپ‌های پيمايشگر روبشی برای تهيه تصوير سطح نمونه از يک برهم‌کنش فيزيکی استفاده می‌کنند. در STM اين برهمکنش جريان تونلی است و در ميكروسكوپ ديگري به نام "ميكروسكوپ نيروي اتمي" اين برهم‌کنش نيروي بين اتمي است. ميكروسكوپ نيروي اتمي يا AFM، ميكروسكوپ ديگري است که پس از STM ساخته شد. عملكرد AFM تا حدودي شبيه به STM است با اين تفاوت كه اين ميكروسكوپ به جاي استفاده از شدت جريان تونلي، نيروي بين اتمي ميان اتم‌هاي سطح سوزن و اتم سطح جسم را معيار قرار مي‌دهد. AFM كاربري بسياري براي مشاهده مواد و اشياء زيستي دارد. ميکروسکوپ‌های الکترونی و ميکروسکوپ‌های پيمايشگر روبشی مهم‌ترين ابزارهای ما برای کار کردن در مقياس نانومتر هستند ​