Kako Rade Skenirajući Elektronski Mikroskopi

{h1}

Skenirajući elektronski mikroskopi pružaju znanstvenicima nevjerojatnu razinu povećavanja. Saznajte više o skeniranju elektronskih mikroskopa.

Charles Smithart je 1993. godine osuđen za ubojstvo 11-godišnje djevojke u gradu Glennallen na Aljasci. Tužitelji su sumnjičili Smitharta nakon što je primijećen na mjestu zločina, ali nisu imali dokaza koji bi ga izravno povezali s ubojstvom. To je mjesto gdje skenirajući elektronski mikroskop (SEM) ušao.

Koristeći rentgenski spektroskopski detektor SEM-a, forenzički je znanstvenik analizirao komadiće željeza pronađene na mjestu zločina. Otkrio je da imaju globularni oblik koji proizvodi samo zavarivanje ili brušenje. Kako se ispostavilo, Smithart je u svojoj trgovini imao uređaj za zavarivanje i ponekad bi popravljao bicikle za lokalnu djecu. Zahvaljujući ogromnim mogućnostima skeniranja elektronskih mikroskopa, tužitelji su imali dokaze potrebne za povezivanje Smitharta sa zločinom.

Zašto je bio potreban SEM, a ne obični svjetlosni ili optički mikroskop iz lokalne srednje škole kako bi se ispitivali dokazi za suđenje Smithartu? Kao prvo, SEM-i mogu povećati objekte veličine do 300 000 puta veće od proučavanog predmeta. Znanstvenici ovaj broj nazivaju "the" povećala snaga i označite ga na primjer kao 300 000x, Suprotno tome, optički mikroskopi koji se pokreću imaju tendenciju povećavanja snage nekoliko stotina puta. SEM-ovi također imaju ogromnu dubinsku oštrinu u usporedbi s tradicionalnim mikroskopima, što osigurava gotovo trodimenzionalnu sliku koju istraživači mogu analizirati u usporedbi s ravnomjernijom slikom koju optički mikroskop proizvodi. Konačno, ovi napredni mikroskopi mogu gledati pored površine objekta, govoreći istraživačima informacije o njegovom sastavu. Svi ovi atributi pokazali su se ključnim u ispitivanju dokaza iz slučaja Smithart.

Naravno, SEM-ovi imaju i svoj dio nedostataka, poput troškova. Čak i najjeftiniji među njima koštaju desetke tisuća dolara. Oni su također glomazni i složeni instrumenti, koji zahtijevaju znatnu stručnost za rad. Kao rezultat, njihova se upotreba obično ograničava na istraživačke i industrijske primjene, iako su nedavni proboji učinili da SEMS postane pristupačniji u ostalim aplikacijama.

U ovom ćemo članku naučiti kako SEM-ovi mogu proizvesti tako detaljne i upečatljive slike. U tom ćemo procesu istražiti što spada u operativni, kao i neke od najnovijih otkrića SEM tehnologije. No prije nego što saznamo o tome gdje se tehnologija kreće, pogledajmo gdje je sve počelo.

Povijest skeniranja elektronskih mikroskopa

Razvoj SEM-ova započeo je s većim zanosom nego lupanjem. Kada je tehnologija predstavljena 1935. godine, od grupe marketinških stručnjaka zatraženo je da ocijene potencijal novog instrumenta na tržištu. Nakon anketiranja znanstvene zajednice, marketinški stručnjaci nisu bili previše optimistični. Procijenili su potrebu za najviše 10 uređaja širom svijeta. Kako se ispostavilo, stručnjaci su u velikoj mjeri podcijenili potencijal SEM-a, i, na sreću, njihovi prognozi nisu uspjeli odvratiti daljnji razvoj tehnologije. Kao rezultat toga, više od 50.000 SEM-ova pune laboratorije i tvrtke širom svijeta [izvor: Breton]. Pa kako su SEM-ovi prešli iz skoro zastarelosti do bitnih istraživačkih alata kakvi su danas?

Kao prvo, znanstvenici su potisnuli optičke mikroskope do svojih granica. Optički mikroskopi postojali su stoljećima, i dok ih još uvijek možete pronaći u učionicama širom zemlje, njihova je ovisnost o svjetlu postala problem. Svjetlost tendencija difrakcije ili savijanja oko rubova optičkih leća ograničava sposobnost povećavanja i razlučivost optičkih mikroskopa. Kao rezultat toga, znanstvenici su počeli razvijati nove načine ispitivanja mikroskopskog svijeta oko sebe i 1932. godine proizveli prvi na svijetu prijenosni elektronski mikroskop (TEM). Ovaj instrument usmjerava snop elektrona kroz uzorak koji promatra, a zatim projicira rezultirajuću sliku na fluorescentni ekran. TEM-ovi, kao što pretpostavljate, imaju mnogo toga zajedničkog sa SEM-ovima i bilo je samo nekoliko godina prije razvoja SEM-ova.

Budući da se razvoj TEM-ova već odvijao u vrijeme pojavljivanja SEM-ova, potonji su se u početku smatrali nepotrebnim. Nepokolebljiva rezolucija C.W. Oatleyja, profesora strojarstva na Sveučilištu Cambridge, pokrenula je noviji mikroskop naprijed. U bliskoj suradnji s nekoliko svojih kolega i studenata, Oatley je uspio pokazati i SEM-ov potencijal povećanja i zadivljujuću 3-D kvalitetu slika koje je stvorio. Danas se SEM-ovi rutinski koriste u zadacima poput pregleda poluvodiča na oštećenja ili istraživanja načina rada insekata.

Boja u crno-bijelom svijetu

Skeniranje elektronskih mikroskopa ima puno prednosti u odnosu na optičke mikroskope, ali još uvijek ne mogu proizvesti slike u boji (više o tome kasnije). Jedan od načina dodavanja boja je korištenje softvera za obradu fotografija. U novije vrijeme, međutim, znanstvenici su razvili elektronski mikroskop s sposobnošću otkrivanja energetskih potpisa koji se emitiraju tijekom postupka povećavanja. Te informacije omogućuju mikroskopu dodijeliti boje različitim elementima, poput titana i mangana, ovisno o energetskim potpisima koje emitiraju. Pomoću ove tehnologije istraživači mogu precizno odrediti gdje se završava jedan materijal, a počinje drugi, a sve je to sjajne boje.

Ključne komponente skenirajućeg elektronskog mikroskopa

Kako rade skenirajući elektronski mikroskopi: elektronski

Počeli smo dobivati ​​ideju za što su SEM-ovi sposobni. Sada smo spremni pogledati različite dijelove jedinice i kako djeluju zajedno kako bi stvorili sliku. Iako su varijacije od jednog do drugog modela naizgled beskrajne, svi SEM-ovi imaju iste osnovne dijelove.

Elektronski pištolj: Elektronske puške nisu neko futurističko oružje koje se koristi u najnovijem Vin Diesel filmu. Umjesto toga, oni stvaraju stalan tok elektrona potreban za rad SEM-a. Elektronske puške su obično jedna od dvije vrste. Termionske puške, koji su najčešći tip, primjenjuju toplinsku energiju na filament (obično izrađen od volframa koji ima visoku talište) kako bi namotao elektrone daleko od pištolja i prema uzorku koji se ispituje. Terenske emisione puškes druge strane stvaraju snažno električno polje da povuku elektrone od atoma s kojima su povezani. Elektronske puške nalaze se na samom vrhu ili na dnu SEM-a i ispaljuju snop elektrona na predmet koji se ispituje. Međutim, ti elektroni ne idu prirodno tamo gdje trebaju, što nas dovodi do sljedeće komponente SEM-a.

Objektivi: Kao i optički mikroskopi, SEM koriste leće za izradu jasnih i detaljnih slika. Leće u tim uređajima, međutim, djeluju drugačije. Kao prvo, nisu izrađene od stakla. Umjesto toga, leće su izrađene od magneta koji mogu savijati put elektrona. Na taj način leće fokusiraju i upravljaju snopom elektrona, osiguravajući da se elektroni završavaju točno tamo gdje trebaju ići.

Uzorak komore: Uzorak komora SEM-a je mjesto gdje istraživači stavljaju uzorak koji ispituju. Budući da se uzorak mora izuzetno mirovati kako bi mikroskop mogao proizvesti jasne slike, komora za uzorak mora biti vrlo čvrsta i izolirana od vibracija. U stvari, SEM-ovi su toliko osjetljivi na vibracije da se često instaliraju u prizemlju zgrade. Komore za uzorke SEM-a čine više nego što uzorak miruju. Oni također manipuliraju uzorkom, postavljajući ga pod različitim kutom i pomičući ga tako da istraživačima ne mora stalno da sastavljaju predmet kako bi snimili različite slike.

detektori: Mogli biste pomisliti o SEM-ovim različitim vrstama detektora kao očima mikroskopa. Ovi uređaji otkrivaju različite načine na koji elektronski snop djeluje na objekt uzorka. Na primjer, registriraju se detektori Everhart-Thornley sekundarni elektroni, koji su elektroni izbačeni iz vanjske površine uzorka. Ovi detektori mogu proizvesti najsličnije slike površine objekta. Ostali detektori, poput detektora elektronskih zraka i rendgenskih detektora, mogu reći istraživačima sastav neke tvari.

Vakuumska komora: Za rad SEM-a potreban je vakuum. Bez vakuuma, elektronska zraka koju stvara elektronska puška nailazila bi na stalne interferencije od čestica zraka u atmosferi. Ne bi samo te čestice blokirale put elektronskog snopa, već bi se izbacile iz zraka i na uzorak, što bi iskrivilo površinu uzorka.

Kao i kod mnogih stvari, SEM je više od zbroja njegovih dijelova. Pročitajte dalje kako biste vidjeli kako sve ove komponente djeluju zajedno kako bi stvorile zadivljujuće slike vrlo, vrlo sitnih stvari.

Kako skenirajući elektronski mikroskop djeluje čarobno?

Ova slika a

Ova slika "buket cvijeća" sa skenirajućeg elektronskog mikroskopa zapravo je trodimenzionalna nanostruktura. Znanstvenici izrađuju nove materijale na temelju nanotehnologije, poput ovih "cvjetova" silicij-karbida i galija.

Na neki način, SEM-ovi rade na isti način na koji rade ključni strojevi za kopiranje. Kad dobijete ključ kopiran u vašoj lokalnoj prodavaonici hardvera, stroj prati tragove izvornika ključa dok izrezuje točnu kopiju u prazan ključ. Kopija nije napravljena odjednom, već se kreće od jednog do drugog kraja. Mogli biste pomisliti da je uzorak u ispitivanju originalni ključ. Zadatak SEM-a je da pomoću snopa elektrona pronađu trag preko objekta, stvarajući točnu kopiju izvornog objekta na monitoru. Dakle, umjesto da samo pronalazi ravni jednodimenzionalni obris ključa, SEM gledatelju pruža više žive, disanje trodimenzionalne slike, zajedno s utorima i gravurama.

Dok se snop elektrona slijedi preko objekta, on djeluje na površini objekta, otpuštajući sekundarne elektrone s površine uzorka u jedinstvenim obrascima. Sekundarni elektronski detektor privlači one raspršene elektrone i, ovisno o broju elektrona koji dođu do detektora, registrira različite razine svjetline na monitoru. Dodatni senzori detektiraju ponovno raspršene elektrone (elektrone koji se odražavaju s površine uzorka) i X-zrake (emitirane ispod površine uzorka). Slika točka, točka po red, slika izvornog predmeta skenira se na monitor radi pregleda (odatle i "skeniranje" dijela naziva uređaja).

Naravno, cijeli ovaj postupak ne bi bio moguć ako mikroskop ne bi mogao kontrolirati kretanje snopa elektrona. Za manipuliranje snopom elektrona koriste se SEM-ovi za skeniranje, koji stvaraju magnetsko polje koristeći fluktuirajući napon. Zavojnice za skeniranje mogu se precizno pomicati gredu naprijed-natrag kroz određeni dio objekta. Ako istraživač želi povećati uvećanje slike, jednostavno postavlja elektronsku zraku za skeniranje manjeg područja uzorka.

Iako je lijepo znati kako SEM teorijski funkcionira, njegovo upravljanje je još bolje.

Upravljanje skenirajućim elektronskim mikroskopom

Prije nego što istraživači mogu napraviti svoju prvu SEM sliku, na primjer, komarca, moraju pripremiti uzorak. Budući da SEM-ovi, za razliku od optičkih mikroskopa, djeluju u vakuumu i oslanjaju se na električna polja, priprema uzoraka može biti kompliciran proces. Istraživači započinju čišćenjem od prašine ili nečistoća. Nakon čišćenja spreman je za postavljanje u SEM ako je uzorak prilično vodljiv. Inače je obložen vodljivim materijalom poput zlata ili platine kroz postupak nazvan sputter premaz prije nego što bude spremna za gledanje. Prevlaka pomoću prskanja omogućuje uzemljenje uzorka, sprječavajući da ga elektronski snop ne ošteti.

Budući da su uzorci postavljeni u mikroskop podložni vakuumu, ponekad se podvrgavaju dodatnoj pripremi kako bi se osiguralo da se drže u tako ekstremnim uvjetima. Primjerice, biološki uzorci obično se dehidriraju prije stavljanja u SEM. U protivnom, nizak atmosferski tlak vakuuma uzrokuje da voda u biološkim uzorcima brzo ispari, uništavajući uzorak u tom procesu. Ostali uzorci se prije pregleda zamrzavaju, a drugi se kemijski obrađuju tako da prežive proces povećavanja.

Istraživači, poput fotografa, imaju razne kontrole nad slikama koje proizvode. Uvećanje, fokus, kontrast i svjetlina slike sve su na dohvat ruke operatera SEM-a. Iako neki modeli imaju namjenski hardver za ove postavke, novija integracija računalnih kontrola smanjila je troškove SEM-a i pojednostavila njihov rad.

Konačno, pazite na sigurnosne mjere opreza pri radu s instrumentom. U procesu skeniranja uzoraka, SEM stvaraju male razine zračenja u obliku X-zraka, jer se elektroni ispod površine uzorka otpuštaju i zamjenjuju drugim elektronima. Iako su rendgenske zrake po prirodi opasne za ljude, ne biste se trebali previše zabrinuti zbog rada SEM-a. Većina instrumenata ima visoko izoliranu komoru za uzorke, dizajniranu da spreči električne i magnetske smetnje, tako da bilo kakve rendgenske zrake nastale u procesu povećavanja ne bi mogle predstavljati prijetnju za operatera. Ipak, istraživači bi trebali osigurati pridržavanje svih sigurnosnih mjera opreza u vezi s funkcioniranjem SEM-a u svojoj ustanovi.

Ovaj je posao SEM-a sve mokar

Budući da SEM djeluju u vakuumu, istraživači su uvijek pretpostavljali da uzorci promatrani pomoću SEM-a trebaju biti bez vlage. Taj ih je zahtjev sprečavao da promatraju biološke uzorke poput živih stanica. Srećom, najnovija generacija SEM-a prevladala je ta ograničenja. Na primjer, neki SEM-ovi zahtijevaju tek umjereno jak vakuum za rad. Iako ovi mikroskopi žrtvuju razlučivost u procesu, oni su puno fleksibilniji u pogledu uzoraka koje mogu vidjeti. Druge su tvrtke osmislile metodu promatranja uzoraka u otopini. Odvajanjem uzoraka iz vakuumske komore pomoću filma visoke čvrstoće, ovi SEM-ovi mogu promatrati predmete koji nikada prije nisu bili podvrgnuti tako velikim razinama uvećanja.


Video Dodatak: NEVIDLJIVA IMPERIJA - Definicija Novog Svetskog Poretka.




Istraživanje


Iznenađujuće Robo-Ribe Rade Zajedno
Iznenađujuće Robo-Ribe Rade Zajedno

David Hunter Hubel
David Hunter Hubel

Znanost Vijesti


Muške Brade Sadrže Više Štetne Bakterije Od Pasjeg Krzna, Mali Prijedlozi Za Proučavanje
Muške Brade Sadrže Više Štetne Bakterije Od Pasjeg Krzna, Mali Prijedlozi Za Proučavanje

Zašto Mrtve Ribe Lebde?
Zašto Mrtve Ribe Lebde?

U Slikama: Ledena Polica Larsen C Na Antarktiku Kroz Vrijeme
U Slikama: Ledena Polica Larsen C Na Antarktiku Kroz Vrijeme

Galerija: Istraživanje Meksičkog Zaljeva
Galerija: Istraživanje Meksičkog Zaljeva

Ljudi Stvarno Operu Grijehe
Ljudi Stvarno Operu Grijehe


HR.WordsSideKick.com
Sva Prava Pridržana!
Umnožavanje Bilo Koje Materijale Dozvoljen Samo Prostanovkoy Aktivni Link Na Stranicu HR.WordsSideKick.com

© 2005–2020 HR.WordsSideKick.com