برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۵,۰۰۴
  • بازدید این ماه ۲۸۱
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۱۸
  • قبول شدگان ۳۹۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۰۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۹۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

امتیاز کاربران

آشنایی با میکروسکوپ‌های الکترونی

TEM (میکروسکوپ الکترونی عبوری)، یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری‌ها و علوم مختلف از جمله نانو فناوری است. یکی دیگر از ابزارهای بزرگنمایی که در آن‌ها به جای پرتوهای نور، از الکترون استفاده می‌شود، SEM است. SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) از ابزارهای مطالعه در نانوفناوری است که می‌تواند به شیوه بمباران الکترونی، تصاویری از اجسامی به کوچکی 10nm تهیه کند. استفاده از این ابزار، آماده‌سازی نمونه برای مطالعه و ... ، نیازمند اطلاعاتی درباره امکانات، ساز و کار، اجزا و چگونگی عملکرد آن است که در این مقاله به آن‌ها اشاره می‌شود.
1- میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM
اساس عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM می‌گویند، مشابه میکروسکوپ‌های نوری است با این تفاوت که به‌جای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترونی استفاده می‌شود. آن چه که می‌توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرد بسیار محدود است؛ در حالی‌که با استفاده از الکترون‌ها به‌جای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.
با استفاده از TEM می‌توان جسمی به اندازه چند آنگستروم (10-10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال، می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی، TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی و زیست‌شناسی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.
در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون‌ها از تصویر عبور داده می‌شود. الکترون‌هایی که از جسم عبور می‌کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده، سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می‌شوند. قسمت‌های تاریک‌تر بیان‌گر این امر هستند که الکترون‌های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده‌اند (این بخش از نمونه، چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن‌تر، مکان‌هایی هستند که الکترون از آن‌ها عبور کرده است (بخش‌های کم چگال‌تر).
وضوح این میکروسکوپ 0/2 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم‌ها ابعادی تقریباً برابر 0/2 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می‌توان نحوه قرار گرفتن اتم‌ها در یک ماده را بررسی کرد.
استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت‌گیر است، چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه‌ای خاص آماده شود، لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می‌کنند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت‌شناسی، ساختار بلوری (نحوه قرارگیری اتم‌ها در شبکه بلوری) و ترکیب نمونه‌ها استفاده می‌شود.
 
1-1- عملکرد میکروسکوپ
با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ، الکترون‌ها گسیل و منتشر می‌شوند. الکترون‌ها از تیوب خلأ میکروسکوپ عبور می‌کنند. در میکروسکوپ‌های نوری از عدسی‌های شیشه‌ای برای متمرکز کردن نور استفاده می‌شود، در حالی که در TEM از عدسی‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌شود تا الکترون‌ها را جمع و متمرکز ساخته و به صورت یک پرتوی باریک گسیل کند. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می‌شود. بسته به چگالی مواد، الکترون‌ها ممکن است از بخش‌هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد کنند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش‌های مختلف جسم به چگالی مواد در آن بخش‌ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال‌تر باشد، تصویر تیره‌تر خواهد بود. این تصویر می‌تواند مستقیماً توسط اپراتور مطالعه شود یا با کمک یک دوربین، تصویربرداری شود.
 
filereader.php?p1=main_0db1538c9334c70bc
شکل 1. میکروسکوپ الکترونی روبشی TEM
 
2-1- آماده‌سازی نمونه
همان‌طور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی نیاز دارد که در ادامه به نحوه آماده‌سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می‌شود.
نمونه‌ای که می‌خواهید با TEM بررسی کنید، باید چگالی آن به حدی باشد که اجازه دهد الکترون‌ها تا حدی از آن عبور کنند. راه‌های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می‌توانید برش‌های بسیار نازکی از نمونه مد نظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک، ثابت کنید یا این که آن را منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه، ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول‌ها یا ویروس‌های مورد نظر با کمک TEM است.
همچنین می‌توان نمونه را با روش‌های مختلف رنگ کرد و با استفاده از نشانه‌گذاری، آن را مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب، الکترون‌ها را به خوبی متفرق می‌کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می‌بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آن‌ها با TEM آورده شده است:
 
filereader.php?p1=main_43efaf1fee0ecda97
شکل 2 . آماده‌سازی نمونه TEM
 
1- تهیه برش با کمک مواد دربرگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیری آب هستند. با توجه به این که برای استفاده در TEM باید کار در خلأ انجام شود، لازم است تا آب به گونه‌ای تبخیر یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می‌شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می‌شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برش‌های نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش‌های بسیار ظریف) تهیه می‌شود که تنها 100-50 نانومتر ضخامت دارند. برش‌های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می‌شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می‌شوند. حال نمونه بافت آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM است.
2- تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می‌توانند برای مطالعه باکتری‌ها یا مولکول‌های ایزوله استفاده شوند) استفاده می‌شود، به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می‌شود. محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آن‌ها اضافه می‌شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی‌شود اما هاله‌ای را در اطراف آن، روی توری تشکیل می‌دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی، هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می‌گیرد، نمایان می‌شود.
 
filereader.php?p1=main_c2b92114f7e7ed584
شکل 3. آماده‌سازی نمونه برای TEM برای کارهای بیولوژیکی
 
2- میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM
میکروسکوپ الکترونی روبشی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM می‌گویند، یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی، تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می‌کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه‌های بزرگ‌تر را به سادگی و با وضوح بیشتری مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می‌شود تا از نمونه، الکترون‌هایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون‌ها در آن جا تبدیل به سیگنال می‌شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه‌ای از سیگنال‌ها را فراهم می‌کند که بر این اساس میکروسکوپ می‌تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد. SEM اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار می‌گذارد:
 
- توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح
- مورفولوژی: شکل، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم
- ترکیب: اجزایی که نمونه را می‌سازند
 
1-2- چگونه SEM کار می‌کند؟
SEM وسیله‌ای است که به کمک آن می‌توان تصویر بزرگ‌تر از نمونه را با کمک الکترون‌ها (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون‌ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می‌شود.
 
filereader.php?p1=main_3e08291a33ce220c8
 شکل 4. میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM
 
پرتوی الکترونی در خلأ به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می‌کند. سپس با عبور از میدان‌های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می‌شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون‌ها و اشعه‌های ایکس از نمونه خارج می‌شوند.
 
filereader.php?p1=main_40b4de70562b2f108
شکل 5. واکنش جسم در هنگام برخورد پرتو الکترونی با آن
 
سپس آشکارسازها پرتوهای ایکس، الکترون‌های اولیه و الکترون‌های ناشی از برخورد الکترون‌های اولیه با جسم را جمع‌آوری می‌کنند و آن‌ها را به سیگنال مبدل کرده، به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می‌کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می‌شود.
 
2-2- آماده‌سازی نمونه
قبل از هر کار باید آب از نمونه جدا شود، چرا که آب در خلأ تبخیر می‌شود. تمامی فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده‌سازی آن‌ها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که از دسته فلزات نیستند، باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش‌دهنده انجام می‌شود که برای این کار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می‌شود. برای این کار، نمونه در یک محفظه‌ خلأ قرار داده می‌شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب می‌شوند که الکترون از آرگون جدا شوند و اتم‌ها بار مثبت داشته باشند. یون‌های آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب می‌شوند. یون‌های آرگون به اتم‌های طلای سطح فویل طلا برخورد می‌کنند. این اتم‌های طلا کنده شده و روی سطح نمونه قرار می‌گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می‌شوند.

در فیلم زیر روش‌های آماده‎سازی نمونه‌های پودری، فلزی و نمونه‌های زیستی توضیح داده شده است.



در فیلم زیر در رابطه با آماده‌سازی نمونه‌های زیستی که به اشعه الکترونی حساس هستند، توضیحاتی ارائه شده و مراحل آن ذکر شده است.



در فیلم زیر در رابطه با انواع چاقوهای استفاده شده در دستگاه اولترامایکروتوم برای برش‌زنی نمونه، نحوه برش‌زنی در دستگاه اولترامایکروتوم و نکات برش‌زنی با این دستگاه توضیحاتی ارائه شده است.