• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Unijni naukowcy opracowali nową technikę pomiaru stanu naładowania

    15.06.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Naukowcom z Holandii, Niemiec i Szwajcarii udało się zmierzyć stan naładowania pojedynczych atomów złota i srebra za pomocą innowacyjnego podejścia do mikroskopii sił atomowych (AMF). Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Science, mają niebagatelne znaczenie dla ważnych technologicznie procesów w fizyce i chemii oraz mogą być przydatne w opracowaniu urządzeń z elektronem pojedynczym.

    Ich osiągnięcie stało się możliwe dzięki projektowi Nanoman (Kontrola, manipulacja i produkcja w skali 1-10 nm za pomocą sił zlokalizowanych i wzbudzenia), finansowanemu na kwotę 1,5 mln EUR z tematu "Nanotechnologie i nanonauki, wielofunkcyjne materiały oparte na wiedzy oraz nowe procesy produkcji i urządzenia" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Wedle naukowców stan naładowania to ważna cecha, mająca wpływ na wiele procesów fizycznych i chemicznych, którą można wykorzystać w urządzeniach z pojedynczym elektronem. "Użycie AFM do tych pomiarów pozwala nam zmierzyć właściwości izolatorów, które dla technologii są bardzo ważnymi materiałami" - wyjaśnia w wywiadzie internetowym dla Science dr Leo Gross z IBM Research w Zurychu, Szwajcaria. Jak mówi dr Gross, oprócz zyskania wartościowej wiedzy na temat procesów katalitycznych: "W fotowoltaice byłoby dobrze zmierzyć dystrybucję ładunków w układzie przeniesienia ładunku z atomową precyzją."

    W poprzednich eksperymentach wykorzystanie skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) pozwoliło naukowcom wysondować stan naładowania pojedynczych atomów, ale zasadniczą wadą tych doświadczeń był fakt, że STM nie sprawdza się w przypadku izolatorów (potrzebnych do rozdzielenia od siebie poszczególnych ładunków). Wyniki badań korzystających z bezkontaktowej AFM były obiecujące, ale w technice tej stosuje się oscylacje w zakresie 10-50 angstremów, podczas gdy do uzyskania odpowiedniej rozdzielczości obrazu potrzebne są oscylacje bliższe 1 angstremowi.

    Naukowcy połączyli AFM z techniką zwaną mikroskopią sił z użyciem sondy Kelvina, która polega na obrazowaniu w niskich temperaturach i przyjrzeli się stanom naładowania atomów złota absorbowanym na bardzo cienkiej warstwie chlorku sodu, po czym potwierdzili uzyskane wyniki stosując ten sam system z atomami srebra.

    "Wykorzystaliśmy technikę zwaną czujnikiem qPlus, który ma formę bardzo małego kamertonu, jak w zegarkach naręcznych, gdzie jeden ząb belki jest nieruchomy a drugi podtrzymuje czubek" - wyjaśnia dr Gross. Belka ma formę wspornika (opartego tylko na jednym końcu); belki wspornikowe są szeroko stosowane w systemach mikroelektromechanicznych; bez przetworników wspornikowych, technika AFM byłaby niemożliwa.

    "Jesteśmy w stanie włączyć ten czujnik do naszego istniejącego już zestawu STM do niskich temperatur" - dodaje. "Zaletą czujnika qPlus jest jego możliwość oscylowania w bardzo małych amplitudach, ponieważ tworzy on bardzo sztywny wspornik. Mogliśmy więc tworzyć zapisy i prowadzić pomiary z oscylacją o amplitudzie zaledwie 0,2 angstrema (około jedna dziesiąta średnicy atomu). Oscylacje o tak niewielkiej amplitudzie są niezbędne do uzyskania [ďż˝] rozdzielczości atomowej."

    Eksperymenty prowadzono w warunkach skrajnej próżni i temperaturach płynnego helu (około 4,2 kelwina) - a więc w warunkach bardzo odpowiadających czujnikowi qPlus. "Niskie temperatury potrzebne są nie tylko ze względu na stabilność aparatu, ale także całego układu. Pojedynczy atom na warstwie izolującej nie byłby stabilny w temperaturze pokojowej" - wyjaśnia dr Gross.

    Naukowcy stwierdzili, że zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne atomu, zwiększają trochę siłę na czubku AFM. To z kolei wytwarza siłę elektrostatyczną, której nie posiada atom w stanie obojętnym, zatem naukowcy byli w stanie określić, czy atom złota lub srebra posiadał ładunek dodatni bądź ujemny albo był obojętny. Zastosowana przez nich metoda pokazała, że bezkontaktową AFM można wykorzystywać do obrazowania pojedynczych atomów lub molekuł oraz wykrywania stanu naładowania pojedynczych atomów na warstwie izolującej.

    W towarzyszącym artykule wstępnym, Ernst Meyer i Thilo Glatzel z Uniwersytetu Bazylejskiego piszą, że "nowa technika istotnie wpłynie na dziedzinę elektroniki molekularnej". Fakt, że naukowcy byli w stanie przeprowadzić ten eksperyment bez podłączania obiektu badań do przewodów, jest dużym sukcesem - jak twierdzą. Należy mieć nadzieję, że nową metodę będzie można zastosować także w kontekście molekuł i sieci molekularnych.

    "Teraz AFM umożliwia zajęcie się grubszymi warstwami izolacyjnymi oraz izolatorami objętościowymi; jest to ważne, jeśli chcemy badać transport ładunków w planarnych warstwach molekularnych czy urządzeniach z pojedynczą molekułą albo sieciach molekularnych - wówczas potrzebna jest naprawdę grubsza warstwa izolująca, aby zapobiec jakimkolwiek wyciekom elektronów" - mówi dr Gross.

    Naukowcy planują wykorzystać technikę na grubszych warstwach izolujących i izolatorach objętościowych, a także zbadać układy molekularne i molekularno-metalowe za pomocą tego systemu. "Interesuje nas przede wszystkim pomiar przenoszenia ładunku i dystrybucji ładunków w tego typu sieciach" - wyjaśnia dr Gross.

    Oczekuje się, że zmodyfikowana technika AFM doprowadzi do wartościowych odkryć w dziedzinie źródeł energii, elektronice molekularnej, fotonice i katalizie.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Science:
    http://www.sciencemag.org/

    NanoMan:
    http://www.nottingham.ac.uk/physics/research/nano/nanoman/

    Źródło danych: Science; internetowy wywiad Science z Leo Grossem
    Referencje dokumentu: Gross L., et al. (2009) Measuring the charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy. Science 324:1428-31. Publikacja internetowa z dnia 12 czerwca; DOI: 10.1126/science.1172273.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Nanotechnologia – ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych, czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Rozmiary nanometryczne nie są jednoznacznie zdefiniowane. Powszechnie znany przedział 1,5 - 100 nm nie znajduje potwierdzenia praktycznego. Obecnie uważa się iż granice rozmiarów nanometrycznych leżą tam, gdzie rozmiar struktury koreluje z właściwościami fizycznymi materiału. Spiekanie proszków ceramicznych lub metalicznych jest zjawiskiem zachodzącym samorzutnie wraz z podniesieniem temperatury, którego kierunek jest ustalony przez spadek entalpii swobodnej, towarzyszący zmniejszeniu się rozwinięcia powierzchni swobodnych układu. Dzięki temu zbiór stykających się ze sobą drobnych ziaren wiąże się wzajemnie po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury niższej od potrzebnej do ich stopienia (0,4-0,85 bezwzględnej temperatury topnienia). Wiązaniu ziaren towarzyszy skurcz całego układu i przejście sypkiego lub słabo związanego proszku w lity, wytrzymały polikryształ. Zmiany te są wynikiem przenoszenia masy, które polega w pierwszym przypadku na przemieszczaniu się całych ziaren względem siebie, zaś w drugim przypadku na wędrówce pojedynczych atomów i molekuł w fazie ciekłej oraz gazowej. W każdym z tych przypadków zachodzi ukierunkowany transport masy, co oznacza, że w układzie działają siły i naprężenia, które wywołują przemieszczanie się ziaren i atomów w określonym kierunku. Każdy z tych mechanizmów dominuje w innym zakresie temperatur. Promień walencyjny atomów, zwany też czasami promieniem kowalencyjnym – średnia odległość najdalej położonych od jądra atomu elektronów występująca w pojedynczych wiązaniach chemicznych tworzonych przez te atomy. Można też powiedzieć, że promień walencyjny jest równy połowie średniej długości pojedynczych wiązań chemicznych jakie zwykle tworzy dany atom.

    Ultrazimne atomy – termin używany do opisania gazu atomów o temperaturach bliskich 0 kelwina (zera bezwzględnego). Za graniczną temperaturę poniżej, której układ nazywamy ultrazimnym przyjmuje się 1 mK, podczas gdy zimnym nazywamy gaz, którego temperatura jest mniejsza niż 1 K. Temperatury otrzymywanych powszechnie w laboratoriach ultrazimnych gazów atomów mieszczą się pomiędzy 1 μK a 1 nK (1 × 10 – 1 × 10 K), przy czym udało się również otrzymać gazy o temperaturach poniżej 500 pK (500 × 10K). W tak niskich temperaturach klasyczny opis gazów zawodzi, ponieważ zjawiska kwantowe zaczynają odgrywać dominującą rolę, a co za tym idzie, do poprawnego opisu badanych układów należy używać mechaniki kwantowej. Kwantowa natura w reżimie ultraniskich temperatur przejawia się m.in. występowaniem kondensacji Bosego-Einsteina w przypadku atomów bozonowych lub zdegenerowanych gazów Fermiego, kiedy atomy są fermionami. Gazy ultrazimnych atomów znalazły też zastosowania w optyce nieliniowej, dokładnych pomiarach kwantowych właściwości pojedynczych atomów, inżynierii stanów kwantowych, precyzyjnej spektroskopii i zegarach atomowych. Baza ładowania akumulatorów - zestaw urządzeń przeznaczonych do ładowania akumulatorów, ich konserwacji i napraw. Jest wyposażona w zespół spalinowo-elektryczny, tablice rozdzielcze, kable połączeniowe, urządzenia pomocnicze i kontrolne oraz narzędzia i materiały do konserwacji i napraw. Rozróżnia się bazy ładowania akumulatorów stacjonarne (w warunkach garnizonowych) i ruchome na samochodach przystosowanych do pracy w warunkach polowych.

    Lapisowanie - technika, polegająca na nasączaniu powierzchni zęba mlecznego 40% roztworem azotanu srebra. Technikę tę stosuje się w przypadku, gdy większa część powierzchni zęba jest już mocno zniszczona przez próchnicę i nie da się założyć wypełnienia. Z roztworu wytrąca się samo srebro, które ma silne właściwości bakteriobójcze. Pozwala to zatrzymać próchnicę i dzięki temu zęba nie trzeba usuwać. Jest to bardzo ważne, ponieważ przedwczesne usuwanie zębów mlecznych grozi późniejszymi wadami zgryzu. Technika ta wiąże się jednak z zabarwieniem zęba na charakterystyczny czarny kolor sczerniałego srebra. Zabieg trwa około 1 minuty na jeden ząb. Zabieg jest wykonywany za darmo w gabinetach z kontraktem NFZ. Pompowanie optyczne - wzbudzanie atomów metodami optycznymi do określonego stanu, co osiąga się dobierając odpowiednio warunki wzbudzenia (oświetlenie, polaryzacja). Jeśli wskutek absorpcji światła liczba atomów osiągających dany stan w jednostce czasu jest większa od odwrotności średniego czasu życia (tj. całkowita liczba atomów w danym stanie) rośnie. Dzięki zastosowaniu pola magnetycznego i spolaryzowanego światła wzbudzającego można za pomocą pompowania optycznego uzyskać częściowe uporządkowanie (tj. ustawienie równoległe) wektorów atomowych momentów magnetycznych. Czyni to metodę pompowania optycznego cennym narzędziem w badaniach fizyki atomowej i jądrowej. Zwiększenie obsadzenia wybranego stanu drogą pompowania optycznego jest podstawą działania lasera. Metodę pompowania optycznego zaproponował fizyk francuski Alfred Kastler; dostał za to w 1966 roku nagrodę Nobla.

    YSlow – wtyczka dla Firebug, która analizuje stronę pod względem kilku czynników wpływających na czas ładowania strony i przedstawia wyniki tej analizy. Dodatkowo wyświetla informacje na temat załadowanych plików i czasu ich ładowania. Bardzo przydatna przy testowaniu serwisów internetowych pod względem czasu ładowania strony. Efekt Kondo - w fizyce ciała stałego terminem tym określa się ogół procesów odpowiedzialnych za obserwowaną w niskich temperaturach (poniżej temperatury Kondo) anomalną zależność oporu materiału od temperatury, zaobserwowaną po raz pierwszy przez W. J. de Haasa w 1934 roku, następnie częściowo wytłumaczoną przez Juna Kondo w 1964, oraz ostatecznie w pełni wyjaśnioną przez Kennetha G. Wilsona w 1975 roku. Najprościej efekt Kondo można opisać jako efekt oddziaływania pojedynczych magnetycznych atomów domieszki z elektronami przewodnictwa materiału diamagnetycznego, czyli skomplikowany problem wielociałowy.

    Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.

    Datowanie metodą stratygraficzną - metoda datowania względnego. Opiera się na prawie superpozycji, która mówi o tym, że warstwa spoczywająca niżej musi być starsza od warstwy spoczywającej wyżej, przez co analogicznie można rozumieć, iż zabytki znalezione w niższej warstwie są starsze od tych znalezionych w warstwie wyższej. Należy tez wziąć pod uwagę, że bardzo często układ warstw jest zaburzony poprzez późniejszą działalność człowieka oraz procesy erozyjne.

    Stacja towarowa jest obiektem infrastruktury kolejowej służącym wyłącznie lub głównie do obsługi załadunku lub rozładunku wszelkiego rodzaju towarów ze statków lub pojazdów drogowych, jak i też przekazywaniem wagonów do lokalnych bocznic oraz procesów odwrotnych. Stacje te posiadają rozbudowany układ torów, który pozwala na realizację prowadzonych załadunków, rozładunków, składowania i sortowania przewożonych w wagonach dóbr. Część z tych torów służy do obsługi ruchu i sortowania wagonów, co odbywa się w głównej mierze z wykorzystaniem torów równoległych. Stacja towarowa zazwyczaj jest także wyposażona w urządzenia dodatkowe o stałym lub czasowym charakterze, takie jak dźwigi, pasy transmisyjne, koparki, rampy do załadunku lub podnośniki widłowe. Stacje, na których nie odbywa się specjalnie odbieranie i ekspediowanie towarów zwane są też stacjami przeładunkowymi. Węglarka – kolejowy wagon towarowy o otwartym od góry nadwoziu (skrzynia ładunkowa) i uniwersalnym zastosowaniu, przystosowany zasadniczo do przewozu ładunków masowych (np. węgiel, kamień, warzywa, drewno). Załadunek odbywa się ręcznie lub mechanicznie, za pomocą stacjonarnych urządzeń załadunkowych lub ładowarek. Węglarka wyposażona w drzwi boczne może być rozładowywana ręcznie, w transporcie masowym stosowany jest zwykle rozładunek mechaniczny na wywrotnicy. W przypadku przewożenia ładunków wrażliwych na warunki atmosferyczne lub pylących węglarka nakrywana jest oponą wagonową.

    Dodano: 15.06.2009. 15:11  


    Najnowsze