Stepan Lisovsky, estudiante de doctorado en MIPT, empleado del Departamento de Nanometrología y Nanomateriales, habla sobre los principios básicos de la nanometrología y las funciones de varios microscopios y explica por qué el tamaño de las partículas depende de la forma en que se miden.
Pensamiento de referencia
Para empezar, sobre metrología simple. Como disciplina, podría haber surgido en la antigüedad, luego muchos discutieron sobre la medida, desde Pitágoras hasta Aristóteles, pero no surgió. La metrología no logró formar parte de la imagen científica del mundo de esa época debido al mismo Aristóteles. Durante muchos siglos, estableció la prioridad de una descripción cualitativa de los fenómenos sobre una cuantitativa. Todo cambió solo en la época de Newton. El significado de los fenómenos "según Aristóteles" dejó de satisfacer a los científicos y el énfasis cambió, de la parte semántica de la descripción a la sintáctica. En pocas palabras, se decidió observar la medida y el grado de interacciones entre las cosas y no tratar de comprender su esencia misma. Y resultó ser mucho más fructífero. Luego llegó la mejor hora de la metrología.
norte
La tarea más importante de la metrología es garantizar la uniformidad de las mediciones. El objetivo principal es desacoplar el resultado de la medición de todos los detalles: tiempo, lugar de medición, de quién está midiendo y cómo decide hacerlo hoy. Por tanto, sólo debe quedar aquello a lo que siempre y en todas partes, independientemente de cualquier cosa, pertenecerán las cosas: su medida objetiva, que le pertenece en virtud de la realidad común para todos. ¿Cómo llegar a la cosa? Mediante su interacción con el dispositivo de medición. Para ello, debe existir un método de medición unificado, así como un estándar, igual para todos.
Entonces, hemos aprendido a medir; todo lo que queda es que todas las demás personas en el mundo midan de la misma manera que nosotros. Esto requiere que todos utilicen el mismo método y utilicen los mismos estándares. La gente se dio cuenta rápidamente de los beneficios prácticos de introducir un sistema único de medidas y acordó comenzar a negociar. Apareció el sistema métrico de medidas, que poco a poco se extendió a casi todo el mundo. En Rusia, por cierto, el mérito de introducir el soporte metrológico pertenece a Dmitry Mendeleev.
El resultado de la medición, además del valor real de la cantidad, también es un enfoque expresado en unidades de medida. Por lo tanto, un metro medido nunca se convertirá en un Newton y un ohmio nunca se convertirá en un tesla. Es decir, diferentes cantidades implican una naturaleza diferente de la medición, pero, por supuesto, este no es siempre el caso. Un metro de cable resulta ser un metro tanto en términos de sus características espaciales como en términos de conductividad y en términos de la masa de la sustancia que contiene. Una cantidad está involucrada en diferentes fenómenos, y esto facilita enormemente el trabajo de un metrólogo. Incluso la energía y la masa resultaron ser equivalentes hasta cierto punto, por lo tanto, la masa de las partículas supermasivas se mide en términos de la energía necesaria para crearla.
Video promocional:
Además del valor de la cantidad y la unidad de su medida, hay varios factores más importantes que necesita conocer sobre cada medida. Todos ellos están contenidos en una técnica de medición específica elegida para el caso que necesitemos. Todo está configurado en él: muestras estándar y la clase de precisión de los instrumentos, e incluso las calificaciones de los investigadores. Sabiendo proporcionar todo esto, basándonos en la metodología, podemos realizar las mediciones correctas. En última instancia, la aplicación de la técnica nos da dimensiones garantizadas del error de medición, y todo el resultado de la medición se reduce a dos números: el valor y su error, con los que suelen trabajar los científicos.
Mide lo invisible
La nanometrología funciona con casi las mismas leyes. Pero hay un par de matices que no se pueden ignorar. Para comprenderlos, es necesario comprender los procesos del nanomundo y comprender cuál es, de hecho, su característica. En otras palabras, qué tiene de especial la nanotecnología.
Debemos comenzar, por supuesto, con las dimensiones: un nanómetro por metro es aproximadamente lo mismo que un chino en la población de China. Esta escala (menos de 100 nm) permite toda una serie de nuevos efectos. Aquí, los efectos de la física cuántica, incluidos los túneles, la interacción con los sistemas moleculares, la actividad biológica y la compatibilidad, y una superficie sobredesarrollada, cuyo volumen (más precisamente, la capa cercana a la superficie) es comparable al volumen total del nanoobjeto en sí. Estas propiedades son un tesoro de oportunidades para el nanotecnólogo y, al mismo tiempo, la maldición del nanometrólogo. ¿Por qué?
El caso es que, debido a la presencia de efectos especiales, los nanoobjetos requieren enfoques completamente nuevos. No se pueden ver ópticamente en el sentido clásico debido a la limitación fundamental en la resolución que se puede lograr. Porque está estrictamente vinculado a la longitud de onda de la radiación visible (puede usar interferencia, etc., pero todo esto ya es exótico). Hay varias soluciones básicas a este problema.
Todo comenzó con un proyector autoelectrónico (1936), que luego se transformó en un autoiónico (1951). El principio de su funcionamiento se basa en el movimiento rectilíneo de electrones e iones bajo la acción de una fuerza electrostática dirigida desde el cátodo a nanoescala al ánodo-pantalla de las dimensiones macroscópicas que ya necesitamos. La imagen que observamos en la pantalla se forma en o cerca del cátodo debido a ciertos procesos físicos y químicos. En primer lugar, se trata de la extracción de electrones de campo de la estructura atómica del cátodo y la polarización de los átomos del gas de "formación de imágenes" cerca de la punta del cátodo. Una vez formada, la imagen en forma de una cierta distribución de iones o electrones se proyecta en la pantalla, donde se manifiesta por las fuerzas de fluorescencia. De esta manera elegante, puede observar la nanoestructura de las puntas hechas de ciertos metales y semiconductores,pero la elegancia de la solución aquí está ligada a restricciones demasiado estrictas sobre lo que podemos ver, por lo que estos proyectores no se han vuelto muy populares.
Otra solución fue el sentido literal de la superficie, realizado por primera vez en 1981 como un microscopio de sonda de barrido, que recibió el Premio Nobel en 1986. Como puede adivinar por el nombre, la superficie a examinar se escanea con una sonda, que es una aguja puntiaguda.
Microscopio de sonda de barrido
© Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido
norte
Se produce una interacción entre la punta y la estructura de la superficie, que se puede determinar con gran precisión incluso por la fuerza que actúa sobre la sonda, incluso por la desviación que surge de la sonda, incluso por el cambio en la frecuencia (fase, amplitud) de las oscilaciones de la sonda. La interacción inicial, que determina la capacidad de investigar casi cualquier objeto, es decir, la universalidad del método, se basa en la fuerza repulsiva que surge del contacto y en las fuerzas de van der Waals de largo alcance. Es posible utilizar otras fuerzas, e incluso la corriente de túnel emergente, mapeando la superficie no solo desde el punto de vista de la ubicación espacial en la superficie de los nanoobjetos, sino también sus otras propiedades. Es importante que la sonda en sí sea a nanoescala, de lo contrario, la sonda no escaneará la superficie,y la superficie es una sonda (en virtud de la tercera ley de Newton, la interacción está determinada por ambos objetos y, en cierto sentido, simétricamente). Pero en general, este método resultó ser universal y poseer el más amplio abanico de posibilidades, por lo que se convirtió en uno de los principales en el estudio de las nanoestructuras. Su principal inconveniente es que consume mucho tiempo, especialmente en comparación con los microscopios electrónicos.
Los microscopios electrónicos, por cierto, también son microscopios sonda, solo un haz de electrones enfocado actúa como sonda en ellos. El uso de un sistema de lentes lo hace conceptualmente similar al óptico, aunque no sin grandes diferencias. En primer lugar, un electrón tiene una longitud de onda más corta que un fotón debido a su masividad. Por supuesto, las longitudes de onda aquí no pertenecen a las partículas, el electrón y el fotón, pero caracterizan el comportamiento de las ondas que les corresponden. Otra diferencia importante: la interacción de los cuerpos con los fotones y con los electrones es bastante diferente, aunque no carece de características comunes. En algunos casos, la información obtenida de la interacción con electrones es incluso más significativa que de la interacción con la luz; sin embargo, la situación opuesta no es infrecuente.
Y lo último a lo que se debe prestar atención es la diferencia entre los sistemas ópticos: si los cuerpos materiales son tradicionalmente lentes para la luz, entonces para los haces de electrones estos son campos electromagnéticos, lo que da una mayor libertad para manipular electrones. Este es el "secreto" de los microscopios electrónicos de barrido, la imagen en la que, aunque parece que se obtuvo en un microscopio óptico convencional, se hace así solo para la conveniencia del operador, pero se obtiene a partir de un análisis informático de las características de la interacción de un haz de electrones con un ráster (píxel) separado en muestras que se escanean posteriormente. La interacción de los electrones con un cuerpo permite mapear una superficie en términos de relieve, composición química e incluso propiedades de luminiscencia. Los haces de electrones son capaces de atravesar muestras delgadas,que le permite ver la estructura interna de dichos objetos, hasta las capas atómicas.
Estos son los principales métodos para distinguir e investigar la geometría de los objetos a nivel de nanoescala. Hay otros, pero trabajan con sistemas completos de nanoobjetos, calculando estadísticamente sus parámetros. Aquí está la difractometría de rayos X de los polvos, que le permite averiguar no solo la composición de fase del polvo, sino también algo sobre la distribución del tamaño de los cristales; y elipsometría, que caracteriza el espesor de películas delgadas (algo indispensable en la creación de la electrónica, en la que la arquitectura de sistemas se crea principalmente en capas); y métodos de sorción de gas para el análisis de superficies específicas. El lenguaje se puede romper con los nombres de algunos métodos: dispersión dinámica de luz, espectroscopia electroacústica, relaxometría de resonancia magnética nuclear (sin embargo, simplemente se llama relaxometría de RMN).
Pero eso no es todo. Por ejemplo, se puede transferir una carga a una nanopartícula que se mueve en el aire, luego se puede encender el campo electrostático y, dependiendo de cómo se desvíe la partícula, se puede calcular su tamaño aerodinámico (su fuerza de fricción contra el aire depende del tamaño de la partícula). Por cierto, de manera similar, el tamaño de las nanopartículas se determina en el método ya mencionado de dispersión de luz dinámica, solo se analiza la velocidad en el movimiento browniano, y también indirectamente, a partir de las fluctuaciones en la dispersión de luz. Se obtiene el diámetro de partícula hidrodinámico. Y hay más de uno de esos métodos "inteligentes".
Tanta abundancia de métodos que parecen medir lo mismo, el tamaño, tiene un detalle interesante. El valor del tamaño de un mismo nanoobjeto a menudo difiere, a veces incluso a veces.
¿Qué talla es la correcta?
Es hora de recordar la metrología ordinaria: los resultados de la medición, además del valor medido real, también se establecen mediante la precisión de la medición y el método mediante el cual se realizó la medición. Por consiguiente, la diferencia en los resultados puede explicarse tanto por la diferente precisión como por la diferente naturaleza de los valores medidos. La tesis sobre la diferente naturaleza de diferentes tamaños de la misma nanopartícula puede parecer descabellada, pero lo es. El tamaño de una nanopartícula en términos de su comportamiento en una dispersión acuosa no es el mismo que su tamaño en términos de adsorción de gases en su superficie y no es el mismo que su tamaño en términos de interacción con un haz de electrones en un microscopio. Por no hablar de que para los métodos estadísticos tampoco es posible hablar de un determinado tamaño, sino solo de un valor que caracteriza el tamaño. Pero a pesar de estas diferencias (o incluso gracias a ellas), todos estos resultados pueden considerarse igualmente verdaderos, simplemente diciendo un poco sobre diferentes cosas, mirando desde diferentes ángulos. Sin embargo, estos resultados sólo pueden compararse desde el punto de vista de la adecuación de confiar en ellos en determinadas situaciones: para predecir el comportamiento de una nanopartícula en un líquido, es más adecuado utilizar el valor del diámetro hidrodinámico, etc.
Todo lo anterior es cierto para la metrología convencional, e incluso para cualquier registro de hechos, pero esto a menudo se pasa por alto. Podemos decir que no hay hechos que sean más verdaderos y menos verdaderos, más coherentes con la realidad y menos (salvo tal vez la falsificación), pero sólo hay hechos que son más y hechos menos adecuados para su uso en una situación particular, así como basados en más y menos la interpretación correcta para esto. Los filósofos lo han aprendido bien desde la época del positivismo: cualquier hecho tiene una carga teórica.
