STM

S

canning

T

unneling

M

icroscopy

Skaningowa mikroskopia tunelowa

AFM

A

tomic

F

orce

M

icroscopy

Mikroskopia siły atomowej

MFM

M

agnetic

F

orce

M

icroscopy

Mikroskopia siły magnetycznej

SKANINGOWA MIKROSKOPIA Z

ROZDZIELCZOŚCIĄ ATOMOWĄ

Powierzchnia grafitu otrzymana przy użyciu

skaningowego mikroskopu tunelowego

SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY:

1978-1982

Gerd Binnig

Heinrich Rohrer

Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne

TUNELOWANIE (1)

Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na

to nie pozwala

Zmiana szerokości d bariery może

bardzo silnie zmienić natężenie

prądu tunelujacych elektronów

tunelowanie

TUNELOWANIE (2)

Swobodny elektron o energii E
pada z lewej strony na
„barierę potencjału” o
wysokości V

V(x)

0

d

x

E

część rzeczywista funkcji
falowej

||

2

duża ||

2

mała

V

0

Mimo małej energii elektron może

przedostać się poza barierę.

Prawdopodobieństwo przedostania

wynosi:





















d

2

2

exp

0

0

E

V

m

D

D



P

rą

d

t

u

n

e

lo

w

a

n

ia

/

n

A

Szerokość bariery /

nm

rozpad

Zmiana odległości próbka-ostrze

może bardzo silnie zmienić

natężenie prądu tunelujacych

elektronów

TUNELOWANIE (3)

Tunelowanie może zachodzić
między ostrzem a
powierzchnią próbki

P

rą

d

t

u

n

e

lo

w

a

n

ia

/

n

A

d

W

A

T

e

d

V

I









V

T

- 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

Odległość próbka

ostrze / nm

MIKROSKOP TUNELOWY: ZASADA DZIAŁANIA

Promień krzywizny ostrza ok.1
nm

OSTRZE MIKROSKOPU TUNELOWEGO

Uzyskanie
ostrza

90 % prądu tunelowego zawiera się w obszarze 1
atomu

Elektrod

a

SKANER PIEZOELEKTRYCZNY

Element
piezoelektryczny
pozwala na ruch
ostrza w trzech
kierunkach

Zasada działania piezoelektryka:

SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY

napięcie
tunelow
e

system kontroli
odległości i
skanowania

opracowanie
danych i
wyświetlanie
wyniku

napięcia sterujące
piezoelektrykiem

element
piezoelektryczny:
sterowanie
odległością od
próbki
i skanowaniem

wzmacniac
z prądu
tunelowego

Próbka

mikroskop

PRZETWARZANIE OBRAZU STM

Cu

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO

OBRAZ POWIERZCHNI MONOKRYSZTAŁU

NIKLU

podnoszenie
atomu

opuszczenie
atomu

MANIPULOWANIE ATOMAMI

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

Żelazo na Cu
(111)

Żelazo na Cu (111)

Różne stadia przygotowania „zagrody”

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO

Sztuka manipulowania atomami, patrz:
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/

Obraz (236nm x 192 nm) nici DNA poddanych liofilizacji i

pokrytych przewodzącą warstwą Pt-Ir-C.

OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO

zastosowania w biologii

MIKROSKOP SIŁ ATOMOWYCH AFM

idea: 1986
Możliwość obserwacji
powierzchni w powietrzu i
pod cieczą
Rozdzielczość: 0.01 nm

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.

SIŁY MIĘDZY ATOMAMI

Siły
elektrostatyczne
(przyciągające
lub odpychaj.)
0.1-1.0 m

Siły Van der
Waalsa
(przyciągające )
0.1-1.0 nm

Siły
Coulomba
(odpychając
e ) 0.01-0.1
nm

powierzchni
a próbki

Wysokość
nad
próbką

Mod kontaktowy

•duża rozdzielczość obrazów

• duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni

• możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza

Tryb bezkontaktowy:

•

mniejsza rozdzielczość obrazów

•możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń

skanowanej powierzchni)
• dobra zdolność rozdzielcza

TRYBY PRACY AFM

Tryb kontaktowy:

Tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode) :

Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między

poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.

OBRAZY Z MIKROSKOPU AFM

MIKROSKOP SIŁ MAGNETYCZNYCH MFM

Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych

niejednorodnościami namagnesowania

domeny

magnetycz

ne

płaska

próbka

magnetyczna

ostrze pokryte

warstwą

magnetyczną

droga ostrza

Zapis bitów na nośniku magneto –

optycznym TbFeCo

OBRAZY Z MIKROSKOPU MFM: BITY NA

NOŚNIKU MAGNETYCZNYM

Dysk twardy

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

r

sm

L

R

G

N

dL



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

Jak to działa

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2)

B

Tylko niektóre kąty ustawienia L w
stosunku do B (a więc też częstości
precesji) są możliwe (mechanika
kwantowa).

L

m

dL



1

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)

L

B



2

Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku
do B (a więc też częstości precesji) są
możliwe (mechanika kwantowa).

Czym większy kąt, tym większa energia
jądra w polu B

Kąt (a więc energię) precesji można
zmienić przy pomocy zmiennego pola
magnetycznego

(zewnętrznego

promieniowania)

częstość zmiennego pola
B

zaabsorbowana energia

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2)

L

B



2

Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku
do B (a więc też częstości precesji) są
możliwe (mechanika kwantowa).

Czym większy kąt, tym większa energia
jądra w polu B

Kąt (a więc energię) precesji można
zmienić przy pomocy zmiennego pola
magnetycznego

(zewnętrznego

promieniowania)

częstość zmiennego pola
B

zaabsorbowana energia

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY

Jądro ma moment

magnetyczny. Jeśli

nie jest on

równoległy do

zewnętrznego pola B,

to jądro ma

zwiększoną energię...

...i moment

precesuje wokół B

z częstością

zależną od pola i

momentu

magnetycznego

Jądro można

wprowadzić w stan

precesji (zwiększyć

jego energię)

wysyłając foton o

energii E

Po pewnym czasie

 precesją kończy

się: jądro

przechodzi do

swojego stanu

podstawowego

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 x

1

oraz x

2

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

NMR umożliwia badanie wiązań chemicznych i położeń najbliższych

atomów w stosunku do atomów wodoru

prec

esja

chaos

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)

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

• rezonans w wybranej warstwie
• Czas namagnesowywania zależy od rodzaju tkanki
• Badanie nieszkodliwe

NMR W MEDYCYNIE

• Jądra wodoru w H

2

O=„magnesiki”

• „Magnesiki” ustawiając się w polu

magnetycznym wirują i emitują fale radiowe

• Jądra wodoru w H

2

O=„magnesiki”

• „Magnesiki” ustawiając się w polu

magnetycznym wirują i emitują fale radiowe

NMR W MEDYCYNIE

Promienie

rentgena

NMR