Одним із пріоритетних напрямів розвитку сучасного матеріалознавства є розробка наноструктурних матеріалів. Дослідження властивостей нанокомпозитних систем проводять на рівні атомів і молекул за допомогою електронної мікроскопії. Такий дослідницький центр у Київській політехніці започаткували майже чверть століття тому. І донині він є лідером серед наукових осередків країни.
📰
Це лабораторія тунельної та електронної мікроскопії ФМФ – науково-дослідний комплекс скануючої тунельної та растрової електронної мікроскопії для наноструктурних досліджень, яку створено на кафедрі загальної фізики. Вона є унікальним, несерійним об'єктом і становить національне надбання України (розпорядження Кабінету Міністрів України №73 від 11 лютого 2004 р.). Зауважимо, що до національного надбання України належать унікальні об'єкти природи, культури, науки і техніки, які є національним скарбом України та важливою складовою її історичної, культурної й природної спадщини. Наприклад, такий статус мають архівні та музейні колекції, рукописи та стародруки, природні заповідники та парки, рідкісні види тварин та рослин, наукові досягнення й технічні інновації.
Тобто вже більше двадцяти років в університеті успішно функціонує особливий підрозділ дослідницької інфраструктури, щодо якого існує зобов'язання з боку держави забезпечувати його збереження, утримання та зростання, тому що він має велике значення для розвитку науки й техніки в Україні та світі.
Приємно визнавати, що устаткування для наноструктурних досліджень було виготовлене вітчизняними виробниками. Електронну растрову частину установки, що складається з растрового електронного мікроскопа РЕМ-103, відеоконтрольного пристрою, вакуумного устаткування, високовольтного обладнання та обчислюваних засобів керування (дві ЕОМ з периферійним обладнанням – струменевим і лазерним принтерами) розробили і виготовили в НВО "Селмі" (м.Суми). Скануючий тунельний мікроскоп СТМ-100П розробили і виготовили в НВО "Харпром" (м.Харків).
Як це працює. Обидва пристрої – тунельний та електронний мікроскопи – використовуються для вивчення структури матеріалів на мікро- та нанометровому рівні.
Тунельний мікроскоп працює на основі тунельного ефекту, який може проявлятися між провідними поверхнями. Він складається з невеликої металевої голки, яку розміщено дуже близько від зразка (до 10 нм). Електрична напруга між голкою і зразком створює потік електронів через тунельний бар'єр між ними. Цей потік детектується і перетворюється в зображення поверхні зразка.
Тунельний мікроскоп застосовують для дослідження атомної будови поверхонь, металевих, надпровідних і напівпровідникових структур; явищ адсорбції та поверхневих хімічних процесів; структури молекул і біологічних об'єктів; технологічних досліджень у галузі мікро- та субмікроелектроніки, плівкових покриттів та обробки поверхонь; як інструмент обробки поверхонь у субмікронному масштабі тощо. У нанотехнологіях та матеріалознавстві саме він може досліджувати поверхні матеріалів з роздільною здатністю до нанометрів.
Електронний мікроскоп використовує потік електронів для створення зображень. Пучок електронів випускається з електронної гармати і фокусується на зразку системою електромагнітних лінз. Потік електронів, що відбивається від зразка, аналізується і перетворюється в зображення за допомогою комп'ютерних засобів.
Цей інструмент незамінний для дослідження атомної будови поверхонь, металевих, надпровідних і напівпровідникових структур; явищ адсорбції та поверхневих хімічних процесів; структури молекул і біологічних об'єктів; технологічних досліджень у галузі мікро та субмікроелектроніки, плівкових покриттів; обробки поверхонь у субмікроскопічному масштабі тощо. Понад те, електронний мікроскоп може досліджувати матеріали з роздільною здатністю до десятків нанометрів з глибиною різкості 0,5 мкм, тож є високотехнологічним приладом для наукових досліджень в біології, хімії, фізиці та інших науках.
Призначення. "Скануюча зондова мікроскопія (СЗМ), – розповідають на кафедрі загальної фізики, – один із потужних сучасних методів дослідження морфології та локальних властивостей поверхні твердого тіла з високим просторовим розділенням. На сьогоднішній день практично жодне дослідження у галузі фізики поверхні та тонкоплівкових технологій не обходиться без викорстання методів СЗМ". Варто зауважити, що розвиток скануючої зондової мікроскопії послужив основою для розвитку нових методів у нанотехнології – технології створення структур з нанометровими масштабами.
"Скануюча тунельна мікроскопія, – додають фахівці, – один із різновидів СЗМ – ефективний спосіб дослідження поверхні з просторовим розділенням включно до атомарного. Даний метод застосовується для візуалізації атомарної структури поверхні низки матеріалів, зокрема піролітичного графіту, реконструйованої поверхні кремнію, а також в таких науках, як нанофізика, фізика магнітних матеріалів, мікробіологія".
До речі, дослідження проводяться у вакуумній камері електронного мікроскопа РЕМ-103, усуваючи негативний вплив атмосфери, причому засоби електронної мікроскопії дозволяють вибрати ділянки зразка, найбільш цікаві для детального сканування тунельним мікроскопом СТМ-100П. Це сприяє високій точності досліджень, адже виключається вплив зовнішніх факторів, умови близькі до ідеальних, що дозволяє отримати більш точні результати та дослідити об'єкти на дуже малих масштабах.
"Поєднання засобів електронної растрової та скануючої тунельної мікроскопії в одній камері дозволяє здійснювати двокрокове дослідження зразків: вивчення мікроструктури за допомогою високоенергетичного електронного променю та тонку характеризацію наноструктури обраного мікрофрагмента того ж самого зразка за допомогою тунельного струму, – кажуть науковці. – Це забезпечує незмінність структури зразка при зміні засобу дослідження та достовірність отриманих результатів".
"У дослідженнях беруть участь студенти й науковці КПІ ім. Ігоря Сікорського, – розповідає завідувач кафедри професор Сергій Решетняк. – Зокрема, до роботи в лабораторії долучені такі відомі вчені, як професор Оксана Горобець, професор Юрій Джежеря, заслужений діяч науки і техніки професор Віктор Калита. Діапазон досліджуваних матеріалів дуже широкий: від зразків крові і бактерій до тонкоплівкових зразків функціональних наноматеріалів".
На фото: Екскурсія для школярів на об'єкт національного надбанняВагомість отриманих результатів підтверджено десятками публікацій у провідних міжнародних виданнях. Лише за минулий рік захищено одну дисертацію доктора філософії та опубліковано 7 статей в журналах, що індексуються наукометричними базами Scopus і Web of Science.
Загалом, за роки існування лабораторії тут провадили численні спільні наукові дослідження, зокрема, з Інститутом магнетизму НАНУ та МОНУ (дослідження характеристик магнітокерованих біосорбентів та магнетизованих ракових клітин, а також дослідження ефектів післядії магнітного поля на наноструктуру магнітних матеріалів), Інститутом харчової біотехнології і геноміки НАНУ (вплив іонів Fe2+ на культивування мікроорганізмів продуцентів амінокислот аспартатної родини); Науково-практичним центром профілактичної та клінічної медицини Державного управління справами (цільова науково-технічна програма "Нанотехнології та наноматеріали"); Національним інститутом хірургії та трансплантології ім. О.Шалімова АМНУ (вивчення біогенних магнітних наночастинок при різних патологіях у тканинах людини); Національним університетом харчових технологій (вивчення морфологічних змін харчових продуктів при консервуванні під високим тиском); кафедрою молекулярної фізики КНУ ім. Т.Шевченка (дослідження зразків тканин та мікроорганізмів з біогенними магнітними частинками та магнітоміченими мікроорганізмами); Інститутом фізіології ім. О.Богомольця НАНУ й Інститутом загальної та неорганічної хімії ім. В.Вернадського НАНУ (дослідження ролі біогенних магнітних наночастинок у метаболізмі та перспектив застосування для біобезпеки).
"Можу відзначити, – говорить далі Сергій Решетняк, – що лише протягом останніх 10 років за результатами досліджень, виконаних за допомогою комплексу, було опубліковано 131 статтю в фахових вітчизняних та закордонних наукових виданнях, зроблено 73 доповіді на конференціях, отримано 10 патентів, видано 2 монографії, захищено 2 докторські дисертації та 9 дисертацій кандидатів наук і докторів філософії".
Крім того, цей науковий об'єкт використовувався при виконанні досліджень в рамках трьох міжнародних проєктів: EU Horizon 2020, проєкт "MagIC – Magnonics, Interactions and Complexity: a multifunctional aspects of spin wave dynamics"; FP7 International Research Staff Exchange Scheme (IRSES), проєкт NoWaPhen "Novel Wave Phenomena in Magnetic Nanostructures"; проєкт "Magnetic Control of E. coli Nissle 1917: fundamental research and biotechnological perspectives" (спільно з Інститутом фізики Чеської Республіки).
"Лабораторія тунельної та електронної мікроскопії завжди є центром уваги школярів та студентів під час проведення днів відкритих дверей та екскурсій на фізико-математичному факультеті. Вступники та студенти на таких заходах мають можливість доторкнутися до таємниць справжньої науки, зазирнути не тільки в мікро-, але й у наносвіт, і для частини з юних відвідувачів це стає першим кроком в їхньому дорослому житті – пліч о пліч з наукою", – підсумовує професор Сергій Решетняк.