Специалисты корпорации Hitachi High Technologies и Национальной лаборатории Брукхэвен (Brookhaven National Laboratory – BNL) разработали новый сканирующий микроскоп, который позволяет снимать атомы одновременно на поверхности и в объёме образца.

Наши знания о влиянии индивидуальных атомов на свойства нанообъектов и процессы, происходящие в устройствах преобразования энергии, очень сильно ограничиваются возможностями наблюдения за ними, — говорит один из ведущих исследователей Имэй Чжу (Yimei Zhu) в пресс-релизе BNL. Как известно, для понимания многих реакций недостаточно «видеть» только объём материала. Его поверхность, где собственно и происходит взаимодействие, важна не меньше.

Именно этого объединения и добились разработчики новой машины, которая расположилась на территории Центра функциональных наноматериалов (Center for Functional Nanomaterials).

Как и все сканирующие электронные микроскопы, новый инструмент освещает образец пучком электронов, сфокусированным на небольшой точке, затем детекторы ловят испущенные материалом вторичные электроны. Полученные данные позволяют определить структуру поверхности и топографию образца.

Но теперь исследователи разместили детекторы как перед образцом, так и за ним. Второй набор регистрирует электроны, прошедшие через толщу изучаемого материала, благодаря чему появляется возможность построить внутреннюю структуру (получается как бы помесь сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов).

Учёные применили в новинке ряд усовершенствований. В частности, оригинальную систему коррекции сферической аберрации. Дополнения привели к увеличению разрешающей способности исходного прибора в четыре раза (до одной десятой нанометра), то есть теперь у машины появилась возможность делать изображения, на которых можно различить отдельные атомы.

Эффект похож на тот, что получается при использовании большей линзы в фотоаппарате: данных собирается больше и они при этом фокусируются на меньшей площади, — поясняет биофизик Джозеф Уолл (Joseph Wall), один из авторов разработки, описывающих её в статье в журнале Nature Materials.

Для демонстрации возможностей нового прибора учёные провели съёмку отдельных атомов урана (обведены кружками) на поверхности тонкой подложки из углерода. Вверху: изображение, полученное в прошедших через образец электронах. Внизу: изображение поверхности образца. По центру: объединённая картина (объём – красным, поверхность – зелёным). Атомы, которые не видны на нижнем снимке, находятся на нижней стороне углеродной подложки (фото Department of Energy Brookhaven National Laboratory).

Информация, полученная с помощью нового устройства, позволит больше узнать о расположении атомов и активных центров, разглядеть небольшие вариации состава и положение дефектов кристаллической структуры образца. Все эти показатели значительно влияют на свойства материалов и их реакции друг с другом, — добавляет Чжу.

Действительно, такая двойная съёмка помогает учёным лучше понять полную картину происходящего, например, как взаимодействуют атомы поверхности и объёма во время каталитической реакции.

Для нормальной работы столь чувствительного прибора, конечно же, понадобились особые условия. Чтобы изолировать новый микроскоп от вибраций, перепадов температуры и даже слабых электромагнитных полей, его поместили в особую комнату. В ней все 24 часа температура регулируется вплоть до сотых долей градуса Цельсия, амортизирующие пластины защищают прибор от проезжающих вдали грузовиков и хлопающих дверей, обычная система вентиляции заменена на охлаждающие воздух панели.

Всё здание является своего рода технологическим шедевром. Микроскоп просто не смог бы работать в других условиях, — поясняет Чжу.