میکروسکوپی برای دیدن تک تک اتم‌ها
- مجموعه: گزارشهای علمی
محققان با استفاده از تکنیک اصلاح انحراف در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی موفق شده‌اند با حداقل مصرف انرژی، تصاویری با وضوح بالا از اتمهای منفرد سبک مانند اکسیژن و کربن تهیه کنند.
محققان آزمایشگاه ملی اوک‌ریج وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، با استفاده از روش اصلاح انحراف در میکروسکوپ الکترونی تونلی روبشی یا به اختصار (STEM) موفق شده‌اند، اولین تصاویر واضح از اتمهای منفرد بور، کربن، نیتروژن و اکسیژن را در تاریخ علم به ثبت برسانند.
اتمهای بور، کربن، نیتروژن و اکسیژن که به ترتیب با اعداد اتمی ۵ تا ۸ از سبک‌ترین اتمهای جدول تناوبی به‌شمار می‌روند، به شکل محلول در لایه‌ای از نیترید بور و توسط تکنیک تصویربرداری Z-Contrast تصویربرداری شده‌اند.
استیفن پنی‌کوک، محقق علم مواد و یکی از اعضای این گروه می‌گوید: «این هم دستاورد دیگری از به کارگیری تکنیک اصلاح انحراف در میکروسکوپ‌های عبوری روبشی است، اولین تجربه شناسایی اتمهای منفرد در مواد غیرتناوبی که برای علم شیمی بسیار باارزش است».
این تکنیک تصویربرداری با وضوح بالا، به محققان علم مواد اجازه می‌دهد هر مولکول را اتم به اتم تحلیل کنند و تصویر دقیقی از ساختار شیمیایی مواد به دست آورند. می‌شود با این تکنیک به عیوب ساختاری ماده پی برد و به عنوان مثال ناخالصی‌ها یا مولکول‌هایی را که عامل خصوصیات رفتاری خاصی در ماده هستند، کشف کرد.
این گروه نمونه مولکولی شش‌ضلعی و تک‌لایه‌ای از نیترید بور را که توسط دانشگاه آکسفورد آماده شده به وسیله تکنیک یاد‌شده، تحلیل کرده و توانسته است سه گروه جانشینی را در آن مشاهده کند. جانشینی اتمهای کربن به جای اتمهای بور و نیتروژن و جانشینی اتمهای اکسیژن به جای اتمهای نیتروژن.
این تحلیل با استفاده از میکروسکوپ Nion UltraSTEM یکصدهزارولت که روی شرایط بهینه ۶۰ هزار ولت تنظیم شده، انجام گرفته است.
توضیح عکس مقابل: تفاوت وضوح تصویر بالا و پایین کاملا معنی‌دار است.
در تصویر b که حاصل استفاده از تکنیک اصلاح انحراف در تصویر a است، می‌توان به وضوح اتمهای منفرد نیتروژن -دایره‌های روشن‌تر در گوشه‌های شش‌ضلعی مشخص‌شده توسط دایره سبز- و بور -دایره‌های تیره‌تر درون همان دایره- را تماشا کرد.
اصلاح انحراف محاسباتی که می‌تواند نقص‌های اپتیکی لنزها و اثر عوامل محیطی را به حداقل برساند ، با پیشرفت‌های کنونی باعث‌شده شرایط برای ثبت تصاویر بهینه شود و شاهد وضوح بهتری در حداقل ولتاژ مورد استفاده باشیم.
پنی‌کوک می‌گوید: «تصویربرداری از نمونه در حالت ۶۰ هزارولت، آسیب به آنرا در زمان جابجایی اتم‌ها به حداقل می‌رساند. این تجربه‌ای نیست که بتوان در ولتاژ بالای ۸۰ هزارولت به آن دست یافت».
استفاده از این تکنیک و تهیه تصاویری منفرد از اتم‌ها، آن‌هم با وضوح بالا نه تنها می‌تواند ابزار مؤثری برای شبیه‌سازی محاسباتی دقیق‌تر، صحیح‌تر و در نتیجه پیش‌بینی بهتر رفتار مولکول‌های پیچیده در اختیار محققان نانوفناوری، شیمی‌دانان و نظریه‌پردازان قرار دهد، بلکه با مصرف بهینه انرژی، انجام این تحقیقات را ساده‌تر و به مراتب کم‌هزینه‌تر خواهد کرد.
