Заточенные карандаши, горящий магний и дендриты серебра

Восемь лет назад я работал в N + 1 и писал про химию и физику, а теперь преподаю в «Летово» эти предметы школьникам. Неожиданно выпал шанс реализовать старую задумку — собрать собственную галерею фотографий со электронного микроскопа: в школе, по счастливой случайности, установили простенький СЭМ. Как материаловед по образованию, я собрал небольшой кружок, где мы со старшеклассниками занимались мелкими научными проектами и заодно активно эксплуатировали микроскоп.

Получив полный карт-бланш, мы отправляли под электронный пучок все, что попадалось под руку — от сельдерея до старых процессоров Intel.

Одним из первых снимков на новом микроскопе стал глаз мухи — классика для микрофотографии. Фасетки мы, конечно, сняли, но куда интереснее оказался побочный эффект этой съемки.

Электронный микроскоп непрерывно бомбардирует поверхность образца сфокусированным пучком электронов. Перемещая пучок между точками образца и подсчитывая детекторами количество вылетающих из него электронов, микроскоп формирует изображение — цвет каждой точки определяется числом вылетевших из нее электронов.

Но электроны — отрицательно заряженные частицы. Если из образца вылетает меньше электронов, чем прилетело в пучке, на нем начинает накапливаться отрицательный заряд. Одноименные заряды отталкиваются, и в какой-то момент мушиный глаз зарядился настолько, что начал отражать электронный пучок. Так глаз мухи неожиданно превратился в электронное зеркало — и, конечно, мы не упустили случая сделать микроскопу селфи. На этом искривленном изображении видны все главные элементы прибора: фокусирующая пучок электронная колонна, детекторы обратно отраженных и вторичных электронов, столик для образцов и камера микроскопа.

Еще мы со школьниками придумали проект, который проще всего описать вопросом: «Насколько остро можно заточить карандаш?»

Закупили сотни стержней для автоматических карандашей и принялись их затачивать — наждачной бумагой (вручную и с помощью шуруповерта), а также электрохимически, растворяя графит в крепком растворе щелочи под действием электрического тока.

Карандашный стержень — это композит из графитовых чешуек и полимерной матрицы, поэтому под микроскопом результат заточки, конечно, далек от идеально острой иглы. Тем не менее нам удалось добиться микронной остроты методом анодного растворения, а если учитывать отдельные графитовые чешуйки на самом острие — то и субмикронной.

Ради чего все это? Ради науки, разумеется. К тому же такие сверхтонкие карандашные иглы можно использовать для сканирующей туннельной микроскопии — не рисовать же ими.

Микроскоп помог нам разобраться и с другим любопытным явлением — горением магния. Металлическая стружка очень ярко вспыхивает в огне газовой горелки. Во время этого процесса слышен высокочастотный звук — словами его трудно описать. На фотографии видно, что частички магния летят по спиральным траекториям, а не гладкими дугами, как можно было бы ожидать под действием силы тяжести и потоков горячего газа.

Сравнивая снимки магниевой стружки и продуктов ее сгорания, мы предложили следующее объяснение. При горении магний быстро расплавляется, превращаясь в шарики диаметром в десятки микрон. Они почти сразу покрываются оболочкой из тугоплавкого оксида магния. Внутри жидкий металл разогревается до температуры кипения и через трещину в оболочке формирует реактивную струю — она и раскручивает частицы до тысячи оборотов в секунду.

Пока это лишь гипотеза, но она неплохо согласуется с исследованием горения магния в углекислом газе, опубликованным в журнале Acta Astronautica. Кстати, работа опубликована в издании про астронавтику из-за того, что магний рассматривают как перспективное топливо для Марса, атмосфера которого состоит преимущественно из CO₂. 

Для одной из лабораторных работ нам было полезно оценить размер частиц цинка в порошке. Мы используем его, чтобы показать, как большая площадь поверхности ускоряет реакцию: крупная гранула цинка в соляной кислоте лениво пускает пузырьки водорода, а цинковый порошок бурлит так, будто кислота кипит. На фотографии видно, что порошок металла не имеет никакой огранки и состоит из капелек неправильной формы диаметром от 1 до 100 микрон. Это значит, что при получении порошка цинк сначала расплавляют, а затем распыляют или испаряют и быстро охлаждают.

Еще один снимок появился из материала для демонстрации на уроках химии — это серебро. Его используют для реакции замещения, в которых более активный металл вытесняет из соли менее активный металл. Например, металлическая медь может вытеснять серебро из нитрата серебра. При этом на меди растут красивые .

Химикам было жалко выбрасывать серебро, поэтому они складывали его в баночку. Так в лаборатской накопилось несколько грамм серебра, и мы решили взглянуть на дендриты под микроскопом. Оказалось, что веточки серебряных «елочек» выглядят кристаллическими, а их размеры могут сильно различаться — это зависит как минимум от концентрации исходного нитрата серебра.

Смотреть в электронный микроскоп на металлы можно очень долго — хотя бы потому, что они не накапливают заряд, а заземляются через алюминиевый предметный столик. Например, красиво выглядит ржавчина на металлической губке, которой пару лет пользовались лаборанты.

Один из приятных моментов, связанных со сканирующей электронной микроскопией, — отсутствие принципиального ограничения на разрешение картинки. Даже микроскоп 20-летней давности способен выдать изображение в разрешении 8К. Все определяется только числом точек, которое вы выберете для растрирования каждой линии при формировании изображения, и терпением: чем больше точек, тем больше времени уйдет на съемку одного кадра. 

Кадр выше — порошок пигмента, светящегося в темноте (это называется фосфоресценция). Если верить продавцу, то это один из алюминатов стронция, например, SrAl₂O₄:Dy, Eu. Какой именно — без рентгеновской порошковой дифракции не разберешься. Зато какие красивые зерна, даже огранка намечается.

Но если с разрешением картинки все настолько хорошо, закономерно возникает другой вопрос: а насколько мелкие объекты вообще можно разглядеть? Тут все не так однозначно — многое зависит от катода в микроскопе (у нас обычный вольфрамовый термоэмиссионный), качества электромагнитной системы линз и прямоты рук оператора. Но еще нужен и подходящий образец.

В какой-то момент школьники принесли на занятия два старых процессора Intel: один из них — i3-4170, другой — еще более старый, эпохи 65-нанометрового техпроцесса. Конечно, чтобы добраться до иерархических слоев медных контактов, соединяющих логику процессора, чипы пришлось уничтожить: отпаять, отколоть, отшлифовать наждачкой. Но снимки того стоили — некоторые изображения похожи на узоры на коврах.

Из биологических объектов неожиданно красивыми оказались колонии дрожжей, выросшие под ультрафиолетом. Эти образцы подготовил коллега с Факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Данила Третьяков, который также работает у нас в школе. Из-за излучения колонии дрожжей формируют столбики, на вершине которых живых организмов уже нет — вся жизнь кипит у основания. Каждый шарик на фотографии — отдельный организм.

Еще один интересный проект, который все еще в разработке, — исследование мшанок, привезенных из Белого моря и с глубин Тихого океана (зона Кларион — Клиппертон). Десятиклассник Платон Шаранов, взявшийся за описание морфологии скелетов этих животных, провел за микроскопом десятки часов. На снимках — примеры того, как выглядят фрагменты стенок их колоний. Преимущественно они состоят из карбоната кальция, принимающего самые разные формы — от неправильных слоев, формирующих фронт нарастания, до аккуратных пластинок с ребрами под 120 градусов — кристаллитов карбоната кальция.

Впереди очередной учебный год, список новых образцов и проектов ограничен только фантазией и, немного, здравым смыслом. Так что микроскоп без дела стоять не будет.