SKANINGOWA MIKROSKOPIA Z ROZDZIELCZOŚCIĄ ATOMOWĄ STM Scanning Tunneling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowa AFM Atomic Force Microscopy Mikroskopia siły atomowej MFM Magnetic Force Microscopy Mikroskopia siły magnetycznej

SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY: 1978-1982 Powierzchnia grafitu otrzymana przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego Gerd Binnig Heinrich Rohrer

Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne TUNELOWANIE (1) Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na to nie pozwala

Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne TUNELOWANIE (1) Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na to nie pozwala

TUNELOWANIE (2) V(x) d x E V0 Swobodny elektron o energii E pada z lewej strony na „barierę potencjału” o wysokości V część rzeczywista funkcji falowej ||2 duża ||2 mała Mimo małej energii elektron może przedostać się poza barierę. Prawdopodobieństwo przedostania wynosi: Zmiana szerokości d bariery może bardzo silnie zmienić natężenie prądu tunelujacych elektronów Prąd tunelowania / nA tunelowanie rozpad Szerokość bariery / nm

TUNELOWANIE (3) Tunelowanie może zachodzić między ostrzem a powierzchnią próbki VT - napięcie tunelowania (ok. 0.5 V) d - odległość ostrze - próbka (ok. 1 nm) W - praca wyjścia elektronu (ok. 5 eV) A = 10.25 eV -1/2 nm-1 Zmiana odległości próbka-ostrze może bardzo silnie zmienić natężenie prądu tunelujacych elektronów Prąd tunelowania / nA Odległość próbka ostrze / nm

MIKROSKOP TUNELOWY: ZASADA DZIAŁANIA

OSTRZE MIKROSKOPU TUNELOWEGO Uzyskanie ostrza Promień krzywizny ostrza ok.1 nm 90 % prądu tunelowego zawiera się w obszarze 1 atomu

SKANER PIEZOELEKTRYCZNY Zasada działania piezoelektryka: Elektroda Element piezoelektryczny pozwala na ruch ostrza w trzech kierunkach

SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY napięcia sterujące piezoelektrykiem element piezoelektryczny: sterowanie odległością od próbki i skanowaniem wzmacniacz prądu tunelowego system kontroli odległości i skanowania opracowanie danych i wyświetlanie wyniku Próbka napięcie tunelowe mikroskop

PRZETWARZANIE OBRAZU STM

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO Cu

OBRAZ POWIERZCHNI MONOKRYSZTAŁU NIKLU

MANIPULOWANIE ATOMAMI Przepływ prądu tunelowego oznacza istnienie oddziaływania między próbką, a ostrzem. Takie oddziaływanie może być zarówno przyciągające, jak i odpychające. podnoszenie atomu opuszczenie atomu

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO Żelazo na Cu (111) Żelazo na Cu (111) Różne stadia przygotowania „zagrody”

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO Sztuka manipulowania atomami, patrz: http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO zastosowania w biologii Obraz (236nm x 192 nm) nici DNA poddanych liofilizacji i pokrytych przewodzącą warstwą Pt-Ir-C.

MIKROSKOP SIŁ ATOMOWYCH AFM Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200mm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem. idea: 1986 Możliwość obserwacji powierzchni w powietrzu i pod cieczą Rozdzielczość: 0.01 nm

SIŁY MIĘDZY ATOMAMI Mod kontaktowy Siły elektrostatyczne (przyciągające lub odpychaj.) 0.1-1.0 m Siły Van der Waalsa (przyciągające ) 0.1-1.0 nm Siły Coulomba (odpychające ) 0.01-0.1 nm powierzchnia próbki Wysokość nad próbką Mod kontaktowy

Tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode) : TRYBY PRACY AFM Tryb kontaktowy: duża rozdzielczość obrazów duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza Tryb bezkontaktowy: mniejsza rozdzielczość obrazów Tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode) : możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) dobra zdolność rozdzielcza

OBRAZY Z MIKROSKOPU AFM Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.

MIKROSKOP SIŁ MAGNETYCZNYCH MFM domeny magnetyczne płaska próbka magnetyczna ostrze pokryte warstwą magnetyczną droga ostrza Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych niejednorodnościami namagnesowania

OBRAZY Z MIKROSKOPU MFM: BITY NA NOŚNIKU MAGNETYCZNYM Zapis bitów na nośniku magneto – optycznym TbFeCo Dysk twardy

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR L Jak to działa dL Wirujący z bardzo dużą prędkością kątową  bąk symetryczny precesuje: moment pędu L obraca się wokół kierunku równoległego do działającej siły, czyli do osi precesji. Częstość precesji zależy od siły ciężkości G rsm  N R G L m Elektron, proton, jądro atomu mają moment pędu, który jest związany z momentem magnetycznym dL B Jeśli jądro umieści się w polu magnetycznym B, to na moment magnetyczny działa moment siły, co sprawia, że jądro precesuje wokół pola B z częstością zależną od pola

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2) Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L m dL 1 B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania)

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2) Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B 2 Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania) zaabsorbowana energia częstość zmiennego pola B

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2) Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B 2 Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania) zaabsorbowana energia częstość zmiennego pola B

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY Po pewnym czasie  precesją kończy się: jądro przechodzi do swojego stanu podstawowego Jądro można wprowadzić w stan precesji (zwiększyć jego energię) wysyłając foton o energii E ...i moment precesuje wokół B z częstością zależną od pola i momentu magnetycznego Jądro ma moment magnetyczny. Jeśli nie jest on równoległy do zewnętrznego pola B, to jądro ma zwiększoną energię...

SPEKTROSKOPIA NMR Jądra o spinie ½ mają tylko 2 możliwe ustawienia względem pola magnetycznego: równoległe i antyrównoległe. Obsadzenie tych stanów jest prawie równe. Np. dla wodoru w temperaturze 25 st.C jak 10 000 000:9 999 932. Zewnętrzne pole magnetyczne jest modyfikowane przez najbliższe otoczenie elektronowe a) atomu danego jądra, b) atomów sąsiednich. Powoduje to zmiany częstości rezonansowej. Jest to tzw. przesunięcie chemiczne. Tak samo magnetyzm sąsiednich jąder zmienia rezonans. Jest to tzw. sprzężenie spin-spin. Oba efekty możliwiają zbadanie składu chemicznego i struktury chemicznej danego ciała.

OBRAZOWANIE NMR Jeżeli zewnętrzne pole magnetyczne jest niejednorodne (istnieje gradient pola), to częstość rezonansowa będzie zależała od współrzędnej położenia jądra w próbce. Obserwując natężenie sygnału w zależności od głebokości można uzyskać przestrzenny rozkład atomów danego pierwiastka. Stosując gradient kolejno w kierunkach osi x, y i z otrzymuje się pełny, 3-wymiarowy obraz badanego ciała. Linie pola magnetycznego Indukcja pola magnetycznego w położeniach x1 oraz x2 jest różna. Badana próbka

NMR W BADANIU WIĄZAŃ CHEMICZNYCH Jądra atomowe również w związku mają momenty magnetyczne. Bez pola B te momenty ustawione są chaotycznie... ...a w obecności pola B precesują wokół kierunku pola z częstością zależną od pola i momentu magnetycznego (zależnych od otoczenia, a więc sposobu wiązania) Zmiana ustawienia momentu (a więc pomiar częstości precesji) polem możliwa jest tylko wówczas gdy zmienne pole magnetyczne będzie miało częstość równą częstości precesji chaos prec esja NMR umożliwia badanie wiązań chemicznych i położeń najbliższych atomów w stosunku do atomów wodoru

NMR W MEDYCYNIE Pomiarowi podlega: *ilość zaabsorbowanej energii (informacja o gęstości protonów) *wielkość energii E (informacja o częstości precesji, a więc o polu B otoczenia) *czas relaksacji  (dodatkowa informacja o otoczeniu) Wartości  i gęstość protonów różnych tkanek są różne, a zmiany chorobowe również na nie wpływają. Dzięki temu mierząc absorpcję oraz czasy relaksacji dostajemy informację o stanie tkanek i narządów organizmu Tomografia rezonansu magnetycznego (F. Bloch, E. M. Purcell 1946 - nagroda Nobla 1952, P. Lauterbur 1973) rezonans w wybranej warstwie Czas namagnesowywania zależy od rodzaju tkanki Badanie nieszkodliwe

NMR W MEDYCYNIE Jądra wodoru w H2O=„magnesiki” „Magnesiki” ustawiając się w polu magnetycznym wirują i emitują fale radiowe

NMR W MEDYCYNIE Promienie rentgena NMR