Электронная микроскопия. 
Коллоидная химия

Оценивая возможные перспективы развития инструментов научных исследований, создатель теории микроскопа Э. Аббе еще в самом начале XX в. писал: «Я верю, что те приборы, которые помогут нам в нашем познании последних элементов материального мира в большей степени, чем современные микроскопы, не будут иметь с последними ничего общего, кроме названия»¹.

" Оптические микроскопы и их разрешающая способность описаны в подпараграфе 3.5.1.

Электронный микроскоп — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий в условиях глубокого вакуума.

Физические основы корпускулярно-лучевых оптических приборов были заложены в 1834 г. (почти за 100 лет до появления первых электронных микроскопов) У. Р. Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях.

Ход лучей в просвечивающем электронном микроскопе в целом такой же, как в обычном микроскопе, а роль оптических стеклянных или кварцевых линз в нем выполняют электромагниты. Получаемое изображение фиксируется на экране (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема просвечивающего электронного микроскопа.

¹ Гуриков В. А. Эрнст Аббе. М.: Наука, 1985.

Длина волны, соответствующая летящему электрону, в зависимости от приложенного напряжения может быть доведена до 0,05 нм, т. е. 5 • 10^{_ 11} м. Поэтому разрешающая способность электронного микроскопа теоретически может составлять.

(около 0,02 нм). Однако из-за искажений, возникающих при взаимодействии электрона с веществом, сложностей, связанных с электронной оптикой и другими техническими ограничениями, разрешающая способность электронного микроскопа составляет 0,2—0,3 нм, что позволяет получать изображение не только частиц высокодисперсных систем, но и отдельных атомов. Это позволило, например, изучить форму и строение вирусов, которые имеют размер 1 — 100 нм, наблюдать макромолекулы, например молекулы белков, динамику формирования коллоидных частиц, строение гелей и т. д. (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (колоидные частицы Au-Ag).

(изображение предоставлено профессором кафедры неорганической химии РГПУ им. А. И. Герцена Т. Б. Бойцовой) Одним из существенных ограничений просвечивающей электронной микроскопии при исследовании коллоидных растворов является необходимость получения объекта в твердом состоянии в очень тонком слое (около 20 нм). Для этого изучаемое вещество наносят на тончайшие пленки из неполярного вещества, называемые репликами.

В отличие от просвечивающего электронного микроскопа, в сканирующем (растровом) электронном микроскопе изображение формируется при последовательном перемещении электронного луча по исследуемому объекту. Электроны рассеиваются на атомах образца, порождают вторичные электроны, рентгеновское и видимое излучение. Регистрируя углы рассеяния, интенсивность излучения и энергии вторичных электронов, можно изучать не только рельеф поверхности, но и химический состав образца, а также структуру образца в приповерхностном слое (десятки и сотни нанометров). В отличие от просвечивающего, с помощью сканирующего электронного микроскопа можно исследовать массивные образцы.

Исторический экскурс

Патент на просвечивающий электронный микроскоп в 1931 г. получил Р. Руденберг, а в 1932 г. немецкие инженеры М. Кнолл и Э. Руска построили первый прототип современного прибора. Использование просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований было начато в конце 1930;х гг., и тогда же появился первый коммерческий прибор.

В конце 1930;х — начале 1940;х гг. появились первые сканирующие электронные микроскопы. В конце 1942 г. русский физик и инженер, основоположник телевидения В. Зворыкин в США опубликовал описание деталей первого сканирующего электронного микроскопа, позволяющего анализировать массивные образцы.

К началу 1950;х гг. сканирующие электронные микроскопы достигали разрешения 50 нм и обеспечивали трехмерный эффект воспроизведения поверхности. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960;х гг., когда они достигли значительного технического совершенства.

Сегодня электронный микроскоп — вполне рядовой инструмент физико-химических исследований.

Еще один прибор для исследования наноразмерных объектов — сканирующий (туннельный) зондовый микроскоп, имеющий несколько разновидностей, важнейшие из которых — сканирующий туннельный микроскоп и сканирующий атомно-силовой микроскоп, были разработаны в 1980;е гг. Сканирующие зондовые микроскопы работают не на принципах оптики, поэтому к электронным микроскопам могут быть отнесены только условно.

В сканирующем туннельном микроскопе измеряется сила тока между поверхностью образца и иглой — зондом; измеряемая величина сильно зависит от зазора между зондом и поверхностью. Возникновение тока связано с квантовым эффектом туннелирования — электроны преодолевают вакуумный барьер между образцом и зондом. В сканирующем атомносиловом микроскопе специальный зонд — кантилевер — регистрирует силы отталкивания и притяжения в зависимости от расстояния между образцом и зондом. В отличие от туннельного, атомно-силовой микроскоп позволяет исследовать поверхности проводящих и непроводящих твердых веществ, а также образцы, погруженные в жидкость, что дает возможность работать с органическими молекулами, включая ДНК. При сканировании сигнал преобразуется в графическое изображение, в результате выявляются детали с разрешением в сотые и даже тысячные доли нанометра.

Исторический экскурс

В 1986 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Эрнсту Руске — «За работу над электронным микроскопом» и Г. Биннигу и Г. Рореру — «За изобретение сканирующего туннельного микроскопа».

Резюме

Разрешающая способность электронного микроскопа составляет 0,2— 0,3 нм, что позволяет получать изображение высокодисперсных частиц, отдельных молекул и атомов.