Čisto prvi na svetu

31. oktober 2015
Bojan Ambrožič

Redkokdaj se lahko pohvalimo, da smo v nečem čisto prvi. Znanost sicer ves čas funkcionira na ta način, da poskušamo priti do nekega spoznanja prvi. Tokrat pa smo na Institutu “Jožef Stefan” kot prvi na svetu pridobili posebno tehniko presevne elektronske mikroskopije, s katero je mogoče na subatomskem nivoju opazovati tekočine.

Presevni elektronski mikroskop (TEM), kjer izvajamo večino poskusov. Po stenah je posebna pena, ki duši tresljaje.

O tehniki presevni elektronski mikroskopije sem že pisal v tem prispevku. Na kratko: gre za vrsto elektronske mikroskopije, ki je ekvivalentna običajni optični mikroskopiji. Najbolj pomembna razlika je tem, da v presevnih elektronskih mikroskopih (v nadaljevanjih jih bom imenoval s standardno kratico TEM), namesto vidne svetlobe uporabljamo elektrone. In ker imajo lahko elektroni valovno dolžino, s katero tipamo oz. preiskujemo vzorec, precej krajšo od velikosti atoma, lahko s temi mikroskopi rutinsko opazujemo svet na atomskem nivoju. Na Institutu “Jožef Stefan” imamo dva taka mikroskopa, od katerih pa ima le eden zadostno ločljivost, da z njim lahko opazujemo atome. Na srečo imamo vzpostavljeno sodelovanje s Kemijskim inštitutom, kjer je nameščen najsodobnejši TEM z ločljivostjo 80 pikometrov (80 tistočink milijardinke metra) oz. s 160 milijon-kratno uporabno povečavo, kar je dovolj, da je mogoče vsaj teoretično razločiti vse atome, z izjemo najlažjih.

Presevni elektronski mikroskop na Kemijskem Institutu trenutno sodi med pet najboljših elektronskih mikroskopov v Evropi

Najprej pa pojasnilo, zakaj bi bil lahko sploh problem opazovanje tekočin znotraj TEM-a. V optičnem mikroskopu to sploh ni nobena težava. Zakaj je to tako težko v TEM-u?

Vsi elektronski mikroskopi se že na prvi pogled precej razlikujejo od optičnih “sorodnikov”, čeprav naj bi oboji delovali na podoben način. Razlog je v konstrukciji, kjer je znotraj elektronskih mikroskopov zelo dober vakuum, ki: 1) preprečuje sipanje elektronov na atomih zraka in 2) preprečuje, da bi scvrlo filament (neke vrste žarnico), ki producira elektrone. Vdor kakršnega koli zraka v mikroskop ponavadi pomeni drag servis. S tekočinami pa je še slabše, saj v vakuumu mikroskopa v trenutku izparijo, kar zopet pomeni “servis”. Iz tega razloga moramo biti prepričani, da so vzorci, ki jih vstavljamo v elektronske mikroskope, povsem suhi. To velja tudi za vse biološke vzorce, viruse, bakterije, itd Vendar ste verjetno že vsi videli čudovite slike pajkov, metuljev in virusov z elektronskimi mikroskopi. Če ne, si jih oglejte tule. Kako jim pa to uspe? Obstaja več tehnik, ampak ponavadi se organizme povsem posuši ali pa se zamrzne.

Nosilec, ki nam omogoča da kot prvi na svetu v presevnem elektronskem mikroskopu opazujemo tekoče vzorce ter jih segrevamo

S to tehniko, ki pa smo jo mi dobili, kot prvi na svetu, pa ne samo da lahko znotraj TEM-a opazujemo tekočine, ampak jih lahko tudi segrevamo in na njih izvajamo elektrokemijske poskuse. Sistem celo omogoča da lahko znotraj mikroskopa zmešamo dva različna kemijska reagenta ter na mestu ter v realnem času posledično opazujemo potek kemijske reakcije: npr. kako rastejo novi kristali. Dejansko smo na ta način skorajda celoten običajen elektrokemijski laboratorij prenesli v notranjost TEM-a.

Tekočina, ki jo dovajamo v mikroskop, se zmeša v glavi nosilca, ki ima prostornino ene milijoninke litra. To je približno toliko, kot znaša prostornina buckine glavice. V glavi nosilca so namaščene tudi posebne elektrode, s katerimi merimo električne lastnosti tekočine ter miniaturna tuljava, s katero tekočina lahko tudi segrevamo.

Kako so potem rešili to tehnično težavo, s zagotavljanjem brezhibnega vakuuma v mikroskopu? Na ta način, da so vpeljali poseben nosilec za vzorec, ki izolira tekočino od vakuuma v mikroskopu. To je bilo v resnici veliko lažje reči, kot narediti, ker se pojavi več tehničnih problemov. Glavni izmed njih je ta, da morajo biti stene nosilca, ki izolirajo tekočino od mikroskopa, tanjše od 50 nanometrov. Obenem pa morajo biti dovolj močne, da zdržijo veliko razliko v pritisku med tekočino in vakuumom mikroskopa. Če bi bile stene debelejše, elektroni ne bi več presevali nosilca in ne bi več dobili slike v TEM-u. Edini material, ki ima ustrezne lastnosti zato aplikacijo je silicijev nitrid, ki ima vrsto izjemnih lastnosti. Vendar mu uporabo v industriji preprečuje njegova visoka cena.

Ta pridobitev nam v tem trenutku daje zelo veliko prednost pred drugimi podobnimi raziskovalnimi institutu na svetu, ker bomo lahko kot prvi raziskali razloge za pojav določenih reakcij, katerih produkte že vrsto let dobro poznamo, ne znamo pa še razložiti, zakaj in kako je prišlo do njihovega nastanka. Ta pridobitev nam bo prav tako omogočala sintezo novih, boljših materialov. Seveda pa bi bilo mogoče brez težav opazovati tudi žive organizme ter jih celo hraniti. V primeru virusov ali bakterij pa bi bilo mogoče dovajati hranila in. “zdravila” in v realnem času spremljati, kako se neljubi organizmi odzivajo na njih.

Tekočina teče v mikroskop po dveh ceveh, kjer se zmeša in potem po odvodni cevi izteka iz mikroskopa. Cevi, po katerih teče tekočina, imajo notranji premer enak, kot je debelina človeškega lasu. Največji pretok tekočine, ki jih vodimo skozi mikroskop, znaša 80 milijardink litra na sekundo.

Tehnika nam omogoča nešteto možnosti za raziskovalno delo, ki so bile do pred kratkim še povsem v domeni znanstvene fantastike. Ker smo se s to tehniko opremili šele pred kratkim, še ne morem govoriti o kakšnih oprijemljivih rezultatih, saj zadevo še testiramo. Vsekakor pa bom zagotovo še veliko pisal o tem, saj bo to glavna tema mojega doktorskega študija.

Prispevek je objavljen tudi v mojem blogu, kjer lahko preberete tudi kaj o tem, kar počnem v prostem času.

Bojan Ambrožič je magister geologije, podiplomski študent na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana, strokovni sodelavec na IJS. Raziskovalna področja: presevna elektronska mikroskopija, tehnika fokusiranega ionskega curka, meteoritika. Ljubitelj naravoslovnih znanosti, amaterski astronom, bloger. Če ga ne najdete v laboratoriju, hodi ali teče po hribih.