Stepan Lisovsky, aluno de doutorado do MIPT, funcionário do Departamento de Nanometrologia e Nanomateriais, fala sobre os princípios básicos da nanometrologia e as funções de vários microscópios e explica por que o tamanho das partículas depende da forma como é medido.
Pensamento de referência
Para começar - sobre metrologia simples. Como disciplina, poderia ter surgido na antiguidade, então muitos discutiram sobre a medida - de Pitágoras a Aristóteles - mas não surgiu. A metrologia deixou de fazer parte do quadro científico do mundo daquela época por causa do mesmo Aristóteles. Por muitos séculos, ele estabeleceu a prioridade de uma descrição qualitativa dos fenômenos sobre a quantitativa. Tudo mudou apenas na época de Newton. O significado dos fenômenos "segundo Aristóteles" deixou de satisfazer os cientistas, e a ênfase mudou - da parte semântica da descrição para a sintática. Simplificando, decidiu-se observar a medida e o grau das interações entre as coisas, e não tentar compreender sua própria essência. E acabou sendo muito mais fecundo. Então veio o melhor momento da metrologia.
A tarefa mais importante da metrologia é garantir a uniformidade das medições. O objetivo principal é separar o resultado da medição de todos os particulares: tempo, local de medição, de quem está medindo e como ele decide fazê-lo hoje. Como resultado, deve permanecer apenas aquilo que sempre e em toda parte, independentemente de qualquer coisa, as coisas pertencerão - sua medida objetiva, que pertence a ela em virtude da realidade que é comum a todos. Como chegar até a coisa? Por meio de sua interação com o dispositivo de medição. Para isso, deve haver um método de medição unificado, bem como um padrão, igual para todos.
Portanto, aprendemos a medir - tudo o que resta é para todas as outras pessoas no mundo medirem da mesma maneira que nós. Isso requer que todos usem o mesmo método e os mesmos padrões. As pessoas perceberam rapidamente os benefícios práticos de introduzir um único sistema de medidas e concordaram em começar a negociar. Surgiu o sistema métrico de medidas, que aos poucos se espalhou por quase todo o mundo. Na Rússia, aliás, o mérito da introdução do suporte metrológico pertence a Dmitry Mendeleev.
O resultado da medição, além do valor real da quantidade, também é uma abordagem expressa em unidades de medida. Assim, um metro medido nunca se tornará um Newton e um ohm nunca se tornará um tesla. Ou seja, quantidades diferentes implicam uma natureza diferente da medição, mas, é claro, nem sempre é esse o caso. Um metro de fio acaba sendo um metro tanto em termos de suas características espaciais e em termos de condutividade, quanto em termos da massa da substância nele. Uma quantidade está envolvida em fenômenos diferentes, e isso facilita muito o trabalho de um metrologista. Mesmo a energia e a massa acabaram sendo equivalentes até certo ponto, portanto, a massa das partículas supermassivas é medida em termos da energia necessária para criá-la.
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Além do valor da quantidade e da unidade de medida, existem vários fatores mais importantes que você precisa saber sobre cada medida. Todos eles estão contidos em uma técnica de medição específica escolhida para o caso que necessitamos. Tudo está definido nele: amostras padrão e a classe de precisão dos instrumentos e até mesmo as qualificações dos pesquisadores. Sabendo fornecer tudo isso, com base na metodologia, podemos realizar medições corretas. Em última análise, a aplicação da técnica nos dá dimensões garantidas do erro de medição, e todo o resultado da medição é reduzido a dois números: o valor e seu erro, com os quais os cientistas costumam trabalhar.
Meça o invisível
A nanometrologia funciona quase segundo as mesmas leis. Mas existem algumas nuances que não podem ser ignoradas. Para entendê-los, você precisa entender os processos do nanomundo e entender qual é, de fato, sua característica. Em outras palavras, o que há de tão especial na nanotecnologia.
Devemos começar, é claro, com as dimensões: um nanômetro por metro é quase o mesmo que um chinês na população da China. Esta escala (inferior a 100 nm) permite toda uma série de novos efeitos. Aqui, os efeitos da física quântica, incluindo tunelamento e interação com sistemas moleculares, e atividade biológica e compatibilidade, e uma superfície superdesenvolvida, o volume da qual (mais precisamente, a camada próxima à superfície) é comparável ao volume total do próprio nanoobjeto. Essas propriedades são um tesouro de oportunidades para o nanotecnologista e, ao mesmo tempo, a maldição do nanometrologista. Por quê?
A questão é que, devido à presença de efeitos especiais, os nanoobjetos requerem abordagens completamente novas. Eles não podem ser vistos opticamente no sentido clássico por causa da limitação fundamental na resolução que pode ser alcançada. Porque está estritamente ligado ao comprimento de onda da radiação visível (pode-se usar interferência e assim por diante, mas tudo isso já é exótico). Existem várias soluções básicas para este problema.
Tudo começou com um projetor autoeletrônico (1936), que mais tarde foi modificado para um auto-iônico (1951). O princípio de seu funcionamento é baseado no movimento retilíneo de elétrons e íons sob a ação de uma força eletrostática dirigida do cátodo em nanoescala para a tela ânodo de dimensões macroscópicas de que já precisamos. A imagem que observamos na tela é formada no cátodo ou próximo a ele devido a certos processos físicos e químicos. Em primeiro lugar, trata-se da extração de elétrons de campo da estrutura atômica do cátodo e da polarização dos átomos do gás de "imagem" próximo à ponta do cátodo. Uma vez formada, a imagem na forma de alguma distribuição de íons ou elétrons é projetada na tela, onde se manifesta pelas forças de fluorescência. Desta forma elegante, você pode olhar para a nanoestrutura das pontas feitas de certos metais e semicondutores,mas a elegância da solução aqui está ligada a restrições muito rígidas sobre o que podemos ver, então esses projetores não se tornaram muito populares.
Outra solução foi o sentido literal da superfície, realizado pela primeira vez em 1981 na forma de um microscópio de sonda de varredura, que recebeu o Prêmio Nobel em 1986. Como você pode imaginar pelo nome, a superfície a ser examinada é digitalizada com uma sonda, que é uma agulha pontiaguda.
Microscópio de sonda de varredura
© Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido
Surge uma interação entre a ponta e a estrutura da superfície, que pode ser determinada com alta precisão até mesmo pela força que atua sobre a sonda, até mesmo pela deflexão da sonda, até mesmo pela mudança na frequência (fase, amplitude) das oscilações da sonda. A interação inicial, que determina a capacidade de investigar quase qualquer objeto, ou seja, a universalidade do método, é baseada na força repulsiva decorrente do contato e nas forças de van der Waals de longo alcance. É possível usar outras forças, e até mesmo a corrente emergente de tunelamento, mapeando a superfície não apenas em termos da localização espacial na superfície dos nanoobjetos, mas também de suas outras propriedades. É importante que a própria sonda seja em nanoescala, caso contrário, a sonda não fará a varredura da superfície,e a superfície é uma sonda (em virtude da terceira lei de Newton, a interação é determinada por ambos os objetos e, em certo sentido, simetricamente). Mas, no geral, esse método acabou sendo universal e possuindo o mais amplo leque de possibilidades, por isso se tornou um dos principais no estudo de nanoestruturas. Sua principal desvantagem é que é extremamente demorado, especialmente quando comparado aos microscópios eletrônicos.
Os microscópios eletrônicos, aliás, também são microscópios de sonda, apenas um feixe de elétrons focalizado age como uma sonda neles. O uso de um sistema de lentes o torna conceitualmente semelhante ao óptico, embora não sem grandes diferenças. Em primeiro lugar: um elétron tem um comprimento de onda mais curto do que um fóton, devido à sua massa. É claro que os comprimentos de onda aqui não pertencem às partículas, ao elétron e ao fóton, mas caracterizam o comportamento das ondas correspondentes a eles. Outra diferença importante: a interação dos corpos com fótons e com elétrons é bem diferente, embora não desprovida de características comuns. Em alguns casos, as informações obtidas na interação com os elétrons são ainda mais significativas do que na interação com a luz - no entanto, a situação oposta não é incomum.
E a última coisa a que se deve prestar atenção é a diferença entre os sistemas ópticos: se os corpos materiais são tradicionalmente lentes para luz, então para os feixes de elétrons são campos eletromagnéticos, o que dá maior liberdade para manipular elétrons. Este é o "segredo" dos microscópios eletrônicos de varredura, cuja imagem, embora pareça ter sido obtida em um microscópio de luz convencional, é feita apenas para a conveniência do operador, mas é obtida a partir de uma análise computacional das características da interação de um feixe de elétrons com um raster separado (pixel) em amostras que são posteriormente digitalizadas. A interação dos elétrons com um corpo torna possível mapear uma superfície em termos de relevo, composição química e até propriedades de luminescência. Feixes de elétrons são capazes de passar por amostras finas,que permite que você veja a estrutura interna de tais objetos - até as camadas atômicas.
Esses são os principais métodos para distinguir e investigar a geometria de objetos em nível nanoescala. Existem outros, mas trabalham com sistemas inteiros de nanoobjetos, calculando seus parâmetros estatisticamente. Aqui está a difratometria de raios-X de pós, que permite descobrir não apenas a composição de fase do pó, mas também algo sobre a distribuição de tamanho dos cristais; e a elipsometria, que caracteriza a espessura de filmes finos (algo insubstituível na criação da eletrônica, em que a arquitetura dos sistemas é criada principalmente em camadas); e métodos de sorção de gás para a análise de área superficial específica. A linguagem pode ser quebrada com os nomes de alguns métodos: espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia eletroacústica, relaxometria de ressonância magnética nuclear (no entanto, é simplesmente chamada de relaxometria de NMR).
Mas isso não é tudo. Por exemplo, uma carga pode ser transferida para uma nanopartícula em movimento no ar, após o qual um campo eletrostático pode ser ativado e, dependendo de como a partícula é defletida, seu tamanho aerodinâmico pode ser calculado (sua força de atrito contra o ar depende do tamanho da partícula). A propósito, de forma semelhante, o tamanho das nanopartículas é determinado no método já citado de espalhamento dinâmico de luz, apenas a velocidade do movimento browniano é analisada, e ainda mais indiretamente, das flutuações no espalhamento da luz. O diâmetro da partícula hidrodinâmica é obtido. E há mais de um desses métodos "inteligentes".
Essa abundância de métodos que parecem medir a mesma coisa - o tamanho, tem um detalhe interessante. O valor do tamanho de um único nano-objeto freqüentemente difere, às vezes até mesmo às vezes.
Qual é o tamanho correto?
É hora de relembrar a metrologia comum aqui: os resultados da medição, além do valor real medido, também são definidos pela precisão da medição e pelo método pelo qual a medição foi realizada. Consequentemente, a diferença nos resultados pode ser explicada tanto pela precisão diferente quanto pela natureza diferente dos valores medidos. A tese sobre a natureza diferente dos tamanhos diferentes da mesma nanopartícula pode parecer selvagem, mas é. O tamanho de uma nanopartícula em termos de seu comportamento em uma dispersão aquosa não é o mesmo que seu tamanho em termos de adsorção de gases em sua superfície e não é o mesmo em termos de interação com um feixe de elétrons em um microscópio. Sem falar que para os métodos estatísticos também é impossível falar de um determinado tamanho, mas apenas de um valor que o caracteriza. Mas apesar dessas diferenças (ou mesmo por causa delas), todos esses resultados podem ser considerados igualmente verdadeiros, basta falar um pouco sobre coisas diferentes, olhar de ângulos diferentes. Esses resultados podem ser comparados apenas do ponto de vista da adequação de confiar neles em determinadas situações: para prever o comportamento de uma nanopartícula em um líquido, é mais adequado usar o valor do diâmetro hidrodinâmico, e assim por diante.
Todas as alternativas acima são verdadeiras para a metrologia convencional e até mesmo para qualquer registro de fatos, mas isso é freqüentemente esquecido. Podemos dizer que não existem fatos mais verdadeiros e menos verdadeiros, mais consistentes com a realidade e menos (exceto talvez falsificação), mas existem apenas fatos que são mais e fatos menos adequados para uso em uma situação particular, bem como baseados em mais e menos a interpretação correta para isso. Os filósofos aprenderam isso bem desde a época do positivismo: qualquer fato é teoricamente carregado.
