Как физик в своей работе я постоянно использую научный прибор под названием Просвечивающий Электронный Микроскоп, сокращенно - ПЭМ. Это один из тех приборов, что позволяют нам заглянуть в тайны микромира. Общий подход к этому вопросу описан в другой статье, а здесь добавим немножко деталей или взглянем чуть под другим углом, но все так же «на пальцах».
Итак, представьте себе жаркий летний день, за городом, на даче. В руках у вас садовый шланг, поливаем огород. Но поливать уже надоело, и вы от нечего делать “пуляете” из шлага в близстоящий забор. Ну вот захотелось, проверить – добьёт или нет. А забор у вас их сухих деревянных, досок, некрашеный. На таком заборе мокрый след от воды выделяется очень контрастно. И так вам это понравилось, что решили весь забор залить. А чего он сухой стоит?! Только вот незадача, в одном месте прямо около забора растет куст сирени – за него вода никак не попадает – на заборе остается сухое место, по форме очень напоминающее вышеозначенный куст. А в другом месте забор прикрыла забытая лопата. И тоже самое – сухое место на заборе в точности повторяет тень от этой лопаты. Вот вам и прототип ПЭМ.
Только в настоящем ПЭМ используется не шланг с водой, а электронная пушка, и “пуляет” она соответственно электронами. Электроны чем хороши? Они очень маленькие – это дает возможность «поливать» или изучать мелкие объекты – отсюда хорошее пространственное разрешение ПЭМ. А вместо деревянного забора в ПЭМ используется детектор этих самых электронов.
Правда, у электронов есть одна важная особенность – они очень легко взаимодействуют (поглощаются) с любыми материалами, даже просто с воздухом. Поэтому любой объект исследования помещают в специальную камеру и откачивают весь воздух. В классическом варианте ПЭМ реализуется по схеме «вертикальная труба с ручками», где электронная пушка сверху, образец, что мы изучаем, где-то посередине, а снизу детектор.
А работает это так. Есть у меня пылинка - настолько маленькая, что ни глазами, ни в обычный оптический микроскоп не разглядеть. “Поливаю” этот объект исследования из электронной пушки и смотрю на “сухое” место, что останется на заборе, т.е. на тень, что оставляет пылинка на детекторе. Сигнал от детектора с помощью компьютера формируется в картинку, которую можно как следует увеличить, и рассмотреть все детали.
И среди этих делатели увидеть, как выясняется, можно многое. ПЭМ широко применяются в различных областях науки и производства. В материаловедении они используются для исследования структуры и дефектов твердых тел и наноматериалов, в том числе двумерных, как графен, и одномерных, как фуллерены. В биологии с помощью ПЭМ устанавливают форму и строение клеток, особенности вирусов (модель коронавируса получили как раз с использованием ПЭМ), и даже архитектуру ДНК. В нефтехимии изучают каталитические материалы и сложные органические соединения. В полупроводниковой промышленности микроскопы применяются для анализа структуры и качества микросхем.
Наконец, можно пойти на самый глубинный уровень и “увидеть” атомы – структурные элементы всего сущего. Можно различить типы атомов и связать их со свойствами материалов. Вот эти хороши, чтоб сделать микропроцессор, а из этих получится солнечная батарея...
И знаете, что забавно? Мы ведь понятия не имеем, что такое есть атомы. Мы всего лишь точно знаем, что они есть, и научились этим пользоваться. И пусть мои ученые собратья начнут возражать.
Папа физик – проще о сложном.