Что можно разглядеть под электронным микроскопом
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 сканирующегонекоторые педанты скажут «растрового» 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 дендриты серебраЕсть классическое видео для демонстрации — правда, с цинком.
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.