How do Electron Microscopes Work? 🔬🛠🔬 Taking Pictures of Atoms

0:00 Napadlo vás někdy, jak je možné navrhnout tranzistory,

0:04 které mají rozměry srovnatelné s vláknem DNA?

0:08 A jak se pořizují snímky takových nanoskopických tranzistorů?

0:12 Odpovědí je elektronový mikroskop.

0:15 Přístroj, který doslova změnil způsob,

0:18 jakým se díváme na mikrosvět.

0:21 Nevěříte?

0:22 Vezměme si jako příklad tuto babočku paví oko.

0:26 Když se na její křídlo podíváme pomocí světelného mikroskopu,

0:29 uvidíme, že se skládá z drobných šupinek,

0:31 které se navzájem překrývají.

0:33 Když ale použijeme elektronový mikroskop,

0:37 jasně uvidíme tvar jednotlivých šupin.

0:39 Při dalším přiblížení pak zjistíme, že šupiny mají strukturu,

0:45 která je zcela odlišná od všeho, co člověk běžně vyrábí.

0:49 Ačkoli toto křídlo nemá přímou spojitost s technologiemi a elektronikou,

0:54 vězte, že vědci a inženýři využívají elektronové mikroskopy

0:58 již více než 60 let k tomu,

1:00 aby mohli navrhovat a vytvářet stále menší a menší tranzistory.

1:03 Moderní elektronové mikroskopy nám totiž umožňují zvětšit obraz až milionkrát

1:08 a dosahují rozlišení na úrovni jednotlivých atomů.

1:13 Existují dva hlavní typy elektronových mikroskopů.

1:16 Skenovací elektronový mikroskop, neboli SEM,

1:20 se používá k zobrazení povrchu,

1:22 jako je toto motýlí křídlo

1:24 nebo štětiny použitého zubního kartáčku.

1:27 Podívejte, tady jsou buňky lidského těla.

1:30 To žluté jsou bakterie.

1:34 Ale pojďme dál.

1:36 Skenovací elektronové mikroskopy mají maximální

1:39 rozlišení kolem jednoho nanometru.

1:42 To znamená,

1:43 že vzdálenost mezi dvěma nejbližšími rozlišitelnými body je jeden nanometr.

1:50 Druhým typem je transmisní elektronový mikroskop,

1:53 neboli TEM, který se používá k pořizování snímků struktur,

1:57 které jsou uvnitř materiálů,

1:59 podobně jako rentgen pořizuje snímky kostí uvnitř našeho těla.

2:04 TEMy se využívají například pro zobrazení jednotlivých částí tranzistoru.

2:10 V jiných vědeckých disciplínách

2:13 se TEMy používají k pozorování bílkovin uvnitř mitochondrií,

2:17 které jsou energetickým zdrojem buňky,

2:20 nebo nanočástic čistého zlata.

2:23 Transmisní elektronové mikroskopy jsou obvykle složitější než

2:28 SEMy a mají rozlišení až 50 pikometrů,

2:31 což je zhruba velikost atomu vodíku.

2:34 Krátká poznámka: sponzor tohoto videa, Thermo Fisher Scientific,

2:40 nám poskytl základní 3D model jednoho

2:43 ze svých transmisních elektronových mikroskopů

2:45 a pomohl nám pochopit tuto složitou technologii.

2:50 Pojďme se podívat na TEMy,

2:53 které se často používají při vývoji pokročilých technologických zařízení.

2:57 Později si povíme i o SEMech.

3:01 Sami uvidíte, že oba přístroje mají mnoho společného.

3:07 Základní princip TEMu spočívá v tom,

3:10 že se vytvoří volné elektrony,

3:12 které se následně urychlí na zhruba 70% rychlosti světla.

3:15 Tím vzniká elektronový svazek.

3:18 Pomocí řady magnetických čoček

3:21 je následně svazek elektronů zaostřen na vzorek.

3:24 Elektrony jím projdou skrz a v závislosti na různých hustotách

3:30 a složení materiálu uvnitř vzorku se rozptýlí.

3:37 Tím se do svazku otiskne obraz vnitřní struktury vzorku.

3:43 Tento otisk se i se zbytkem elektronového svazku 40krát zvětší pomocí objektivu

3:50 a dále 50 000krát pomocí sady projektivových čoček.

3:56 V tomto okamžiku je otisknutý obraz široký asi 5 centimetrů

4:01 a dostatečně velký, aby jej mohl zachytit snímač kamery

4:04 s vysokým rozlišením umístěný na spodní straně mikroskopu.

4:11 Možná si teď říkáte,

4:13 proč se musíme namáhat s manipulací s elektrony

4:17 a proč nemůžeme použít světlo.

4:19 Inu, viditelné světlo je totiž fyzikálně omezeno na zvětšení přibližně 2000krát.

4:25 Pokud se pokusíte zvětšovat více,

4:28 obraz zůstane rozmazaný, aniž by se v něm objevily další detaily.

4:33 Naproti tomu elektrony mohou dosáhnout smysluplného zvětšení až 2 milionkrát.

4:39 Proč je tedy světlo fyzikálně omezeno?

4:42 Vraťme se k obrázku babočky a šupin na jejích křídlech.

4:49 Tento snímek byl pořízen fotoaparátem,

4:51 tento pomocí světelného mikroskopu

4:55 a tyto snímky pochází z elektronového mikroskopu.

4:58 Všimněte si dvou bodů z tohoto exempláře,

5:01 které jsou od sebe vzdáleny pouhých 100 nanometrů.

5:04 Viditelné světlo má průměrnou vlnovou délku 540 nanometrů,

5:09 což je větší než vzdálenost mezi těmito dvěma body.

5:13 Vzhledem ke své vlnové podstatě se světlo při dopadu na tyto dva body ohýbá,

5:18 čímž vzniká dvojice šířících se vln s difrakčním obrazcem,

5:22 který je výsledkem interference obou vln.

5:26 Pokud jsou body podstatně blíže,

5:28 než je vlnová délka viditelného světla,

5:30 pak se díky difrakci budou oba body jevit

5:33 jako jeden rozmazaný prvek.

5:36 Stručně řečeno, viditelné světlo ve skutečnosti nedokáže rozlišit body,

5:40 které jsou od sebe vzdáleny méně než 300 nanometrů.

5:43 V elektronovém mikroskopu jsou však elektrony urychleny na 70% rychlosti světla

5:50 a mají vlnovou délku 2,5 pikometru,

5:53 což je asi 200 000krát méně než vlnová délka viditelného světla.

5:59 V zásadě by takový elektronový mikroskop

6:01 mohl rozlišit body vzdálené od sebe pouhý 1 pikometr,

6:06 ale vzhledem k fyzikálním omezením magnetických čoček

6:09 je skutečné rozlišení přibližně 50 pikometrů,

6:13 což už stačí k pozorování jednotlivých atomů v materiálu.

6:17 Pokud vás zajímá měřítko mikrometrů,

6:21 nanometrů a pikometrů, zde se můžete podívat na jejich srovnání.

6:46 Pojďme to vzít postupně

6:47 a podívejme se na jednotlivé části transmisního elektronového mikroskopu.

6:53 V horní části najdeme elektronovou trysku,

6:57 která vytváří volné elektrony.

7:00 Základní princip tohoto zařízení spočívá v tom,

7:02 že záporně nabité elektrony jsou přitahovány kladným elektrickým polem.

7:07 Zde vidíme katodu z wolframového krystalu

7:10 a pod ní prstenec zvaný extraktor.

7:12 Tato elektroda je připojena ke kladnému napětí 5 tisíc voltů,

7:17 v důsledku čehož jsou záporně nabité elektrony vytrhávány

7:21 z wolframu a přitahovány k extraktoru.

7:24 Účinek elektrického pole je ještě zesílen ostrým hrotem krystalu wolframu,

7:30 který je široký jen několik nanometrů,

7:33 díky čemuž se elektrony z wolframu uvolňují snáz.

7:37 Dalším krokem je urychlení elektronů na 70% rychlosti světla.

7:41 K tomu se používá série nabitých kovových kroužků,

7:45 které jsou od sebe odstupňovány po desítkách tisíc voltů.

7:49 Princip je stejný jako v přechozím případě.

7:51 I zde tyto kladně nabité prstence

7:53 elektrostaticky přitahují záporně nabité elektrony,

7:58 které díky tomu zrychlují a prochází středem prstenců.

8:01 Elektrony se urychlují ze dvou hlavních důvodů.

8:06 Zaprvé proto, aby dokázaly projít vzorkem,

8:09 ať už jde o tranzistor, protein, krystalovou mřížku,

8:13 nebo cokoli jiného,

8:14 co bývá obvykle nařezáno na tloušťku jen okolo 100 nanometrů.

8:18 A zadruhé– jak už jsme zmínili– elektrony vykazují vlnové vlastnosti,

8:23 a čím jsou rychlejší,

8:25 tím kratší je jejich vlnová délka

8:26 a tím vyššího rozlišení lze dosáhnout.

8:29 V místech, kde se elektrony pohybují relativistickými rychlostmi,

8:33 je velmi důležité zajistit v mikroskopu dostatečné vakuum.

8:38 K tomu se používají pumpy,

8:41 které odstraní téměř všechny atmosférické molekuly

8:43 a vytvářejí vakuum podobné tomu ve vesmíru.

8:45 Pokud by se totiž rychle letící elektrony

8:49 dostaly do kontaktu s molekulami vzduchu,

8:51 rozptýlily by se do náhodných směrů

8:54 a tím znehodnotily obraz.

8:56 Nyní, když máme vytvořený svazek elektronů,

8:59 prozkoumejme magnetické čočky,

9:01 které se nachází ve třech hlavních částech mikroskopu:

9:04 kondenzor, objektiv a projektiv.

9:08 Úkolem kondezoru je zaostřit elektrony ze zdroje

9:14 a promítnout je na vzorek tak,

9:16 aby osvětlovaly oblast o velikosti jednoho mikrometru

9:19 až několika nanometrů v závislosti na požadovaném zvětšení.

9:24 Kromě toho jsou v mikroskopu nejrůznější apertury

9:27 nebo-li clony, které mají za úkol odfiltrovat elektrony,

9:32 které pohybují příliš daleko od středu tubusu,

9:36 tzn.

9:36 od optické osy.

9:38 Díky tomu elektrony dopadají na vzorek rovnoběžněji.

9:43 Vzorek se umístí na držák,

9:45 který se vloží přes vzduchový uzávěr do vakuové komory.

9:49 Aby bylo možné pozorovat různé aspekty vzorku,

9:52 například krystalové mřížky, může se držák pohybovat ve všech třech směrech,

9:58 X, Y a Z,

10:00 a také otáčet kolem podélné osy X.

10:03 Některé držáky umožňují dokonce i rotaci podél osy Y.

10:07 Díky tomu můžeme zobrazovat vzorky v přesně kolmém směru,

10:12 třeba jako tyto tranzistory.

10:15 Neuvěřitelně malý svazek pak dopadá na vzorek z materiálů o různém složení

10:20 a hustotě, čímž dochází k rozptylu elektronů,

10:26 a tím k otisknutí obrazu do procházejícího elektronového svazku.

10:30 Další čočky– objektiv a série čtyř projektivových čoček– rozlišují

10:36 a zvětšují obtisknutý obraz až do šířky několika centimetrů.

10:45 Tento proces je rozdělen do dvou částí.

10:48 V prvé řadě se zapojuje objektiv,

10:51 který se často považuje za srdce celého mikroskopu.

10:53 Ten zvětšuje obraz zhruba 40krát

10:56 a jeho optické vady určují konečné rozlišení.

11:01 Následně čočky projektivu zvětší obraz až 50 000krát.

11:07 Co jsou to optické vady

11:09 a proč je maximální smysluplné zvětšení zhruba dvoumilionové?

11:14 Podívejme se na tento obrázek 962 rozmazaných atomů zlata.

11:20 S dnešní technologií není rozlišovací schopnost

11:24 TEMu omezena elektrony ve svazku,

11:28 ale spíše čočkami a jejich optickými vadami,

11:33 které se objevují po zvětšení nasnímaného obrazu.

11:38 Existuje několik hlavních typů vad,

11:40 jako například kulová nebo barevná,

11:43 které zde však nebudeme rozebírat do detailů.

11:45 Hlavní myšlenkou je, že dokonale kontrolovat svazek elektronů

11:50 není ani zdaleka jednoduché,

11:52 a že vady způsobují rozmazání a omezují rozlišení poté,

11:56 co je obraz zvětšen.

11:58 Čočky projektivu zvětšují to,

12:00 co před nimi zvětšil objektiv,

12:03 včetně přidaných vad.

12:06 Toto druhé zvětšení potom přidává ještě vlastní vady.

12:10 Proto se značná část výzkumu

12:13 a vývoje zaměřuje na snižování optických vad způsobených objektivem,

12:19 protože právě ty v konečném důsledku omezují rozlišení mikroskopu

12:23 v subnanometrovém měřítku.

12:26 Pravděpodobně vás zajímá, proč tyto magnetické čočky vypadají úplně jinak

12:31 než čočky mikroskopu nebo fotoaparátu,

12:33 a jak dokáží ovlivnit trajektorie rychle letících elektronů.

12:37 Uvnitř čočky je cívka z měděného drátu

12:41 obklopená železným pouzdrem.

12:44 Když těmito cívkami prochází proud,

12:46 vzniká magnetické pole.

12:49 Toto magnetické pole je pak vedeno přes železo k pólovým nástavcům,

12:54 kde se rozprostře do optického tubusu.

12:57 Toto magnetické pole pak mění trajektorie elektronů tak,

13:02 že je ohýbá směrem ke středu,

13:04 nebo-li optické ose, po zmenšující se šroubovici.

13:09 Síla, která zde vstupuje na scénu,

13:11 se nazývá Lorentzova síla.

13:12 Lze ji vyjádřit jako náboj elektronu,

13:16 “Q”, krát “V” což je vektor jeho rychlosti,

13:21 vektorově násobený s vektorem magnetické indukce B.

13:25 Pokud by se elektron pohyboval směrem od optické osy,

13:31 magnetické pole by jej stáčelo zpět k ose.

13:36 Pokud by ale letěl přesně dolů podél optické osy,

13:41 nepůsobila by na něj žádná Lorentzova síla

13:46 a nerušeně by pokračoval dál ve svém letu.

13:48 Můžeme tedy říci, že magnetické čočky fungují jako vypouklé

13:52 nebo-li spojné čočky a soustřeďují všechny elektrony do ohniska.

13:58 Jak elektrony pokračují ve své dráze za ohniskem

14:02 a rozbíhají se, vytvářejí zvětšený obraz.

14:06 Toto zvětšení závisí na síle magnetických polí,

14:10 poloze čoček a poloze detektorů a kamer.

14:15 Posuňme v mikroskopu dále a prozkoumejme,

14:18 jak měníme elektrony na výsledný obraz.

14:21 Existují dva samostatné systémy.

14:23 Nejprve zde máme fluorescenční stínítko se speciální tenkou vrstvou,

14:27 která svítí, když na ni dopadnou elektrony.

14:30 Stínítko pak snímá kamera.

14:33 Tento systém slouží k seřízení mikroskopu

14:36 a poskytuje přehled o poloze vzorku.

14:38 Jakmile jste připraveni pořídit snímek s vysokým rozlišením,

14:41 fluorescenční stínítko se odklopí

14:44 a snímek se pořídí pomocí druhého systému s citlivější CMOS kamerou.

14:50 která má vyšší rozlišení a větší dynamický rozsah.

14:53 Pro správné nastavení elektronového svazku

14:56 a magnetických čoček musíme používat fluorescenční stínítko a kameru,

15:02 protože nesprávně zaostřený svazek by mohl poškodit citlivou CMOS kameru.

15:09 Popsali jsme si mnoho důležitých částí mikroskopu,

15:11 nicméně existuje celá řada dalšího vybavení a modulů,

15:14 které zajišťují další funkce.

15:16 Na mikroskopu najdeme například rentgenové detektory,

15:19 energiové filtry, fázové destičky,

15:22 monochromátory, multipólové korektory, clonkové mechanismy,

15:28 vodní chlazení magnetických čoček,

15:30 spoustu obvodů pro ovládání magnetických čoček

15:33 a emisních zdrojů, vakuové pumpy,

15:37 zdroje napájení a mnoho dalšího.

15:40 Celý mikroskop navíc stojí na vzduchových tlumičích,

15:44 které minimalizují vnější vibrace.

15:46 Elektronový mikroskop představuje úžasné spojení vědy a techniky

15:52 a my jsme vděční sponzorovi tohoto videa,

15:55 společnosti Thermo Fisher Scientific,

15:57 že nám umožnila nahlédnout dovnitř.

15:59 Kromě elektronových mikroskopů vyrábí Thermo Fisher

16:03 také širokou škálu laboratorního vybavení,

16:05 jako jsou centrifugy, inkubátory, rentgenové a hmotnostní spektrometry,

16:11 a dokonce i PCR přístroje,

16:14 které lze použít k testování na Covid-19.

16:16 Tyto výrobky bezesporu patří k základům vědeckého vybavení

16:22 v laboratořích po celém světě.

16:24 Thermo Fisher nesponzoruje tohle video proto,

16:27 abyste si koupili elektronový mikroskop za několik milionů dolarů.

16:31 Místo toho ale stejně jako my v Branch Education věří,

16:35 že budoucnost lidstva leží v rukou vědců a inženýrů,

16:38 kteří jsou schopni objevovat, inovovat a řešit problémy,

16:44 kterým lidstvo čelí.

16:46 Pokud uvažujete o kariéře v oblasti vědy nebo inženýrství,

16:49 podívejte se na nabídku pracovních míst v Thermo Fisher Scientific.

16:52 I vy můžete vytvářet přístroje,

16:55 které posouvají vědu a techniku kupředu.

16:58 Nyní, když jsme si popsali transmisní elektronový mikroskop,

17:02 podívejme se na skenovací elektronový mikroskop,

17:05 nebo-li SEM, který Thermo Fisher rovněž vyrábí.

17:09 Hlavní myšlenka spočívá v tom,

17:11 že namísto osvětlení určité oblasti vzorku

17:14 a otisknutí obrazu najednou,

17:17 vytvoříme u SEMu zaostřený bod

17:20 a tímto bodem skenujeme přes objekt,

17:22 který se snažíme zvětšit.

17:24 Tyto elektrony se pak odráží

17:26 a vytváří sekundární elektrony,

17:30 zpětně odražené elektrony a rentgenové záření,

17:33 které zachycujeme,

17:34 abychom získali podrobnosti o topologii povrchu a chemickém složení.

17:39 Tento proces například posloužil k vytvoření těchto snímků

17:43 motýlího křídla nebo tohoto krystalu soli.

17:47 Určitou nevýhodou SEMu je,

17:48 že snímá pouze povrch materiálů

17:52 a rozlišení je omezeno tím,

17:54 jak malé zaostřené místo se nám na vzorku podaří vytvořit

17:57 a také na tom, jak hluboko do vzorku elektrony proniknou,

18:01 tedy na tzv.

18:02 interakčním objemu.

18:03 Praktické rozlišení se obvykle pohybuje kolem 1 nanometru.

18:07 Kromě toho stojí za zmínku varianta

18:11 transmisního elektronového mikroskopu, která se nazývá STEM,

18:16 kde písmeno S znamená skenování.

18:18 Tento mikroskop je podobný TEMu,

18:21 ale podobně jako u SEMu zaostřujeme svazek do bodu

18:25 a pak jím pomocí vychylovacích cívek skenujeme přes vzorek.

18:29 Výhodou STEMu je, že má jiný mechanismus pro vytváření obrazového kontrastu

18:35 a ve spojení s detektorem rentgenového záření

18:38 je schopen provést prvkovou analýzu vzorku.

18:42 Dražší TEMy mají obvykle optické prvky

18:45 a obvody pro TEMový i STEMový mód

18:49 a uživatel může mezi oběma režimy přepínat.

18:54 Je nám jasné, že máte mnoho otázek- neváhejte se v komentářích níže zeptat

18:59 a my se vám pokusíme odpovědět.

19:02 Krom toho jeden z inženýrů z Thermo Fisheru,

19:05 který pracuje na těchto mikroskopech

19:07 a pomohl nám s vytvářením tohoto videa,

19:10 doplnil video o spoustu dalších informací

19:12 a užitečných zdrojů.

19:14 Určitě se na něj podívejte zapnutím titulků v angličtině.

19:18 Věříme, že budoucnost bude vyžadovat silný důraz na technické vzdělávání,

19:23 a jsme vděční všem našim sponzorům na Patreonu

19:26 a YouTube za podporu tohoto snu.

19:29 Pokud nás chcete podpořit na YouTube Memberships nebo Patreon,

19:33 odkazy najdete v popisu.

19:36 Jsme Branch Education a vytváříme 3D animace,

19:40 které detailně ukazují technologie pohánějící náš svět.

19:44 Podívejte se na další video kliknutím na jednu z těchto karet

19:48 nebo klikněte zde a přihlaste se k odběru.

19:51 Děkujeme, že jste se dívali až do konce!!