/nginx/o/2017/03/03/6402519t1hc278.jpg)
- Physicumi keldris on töövahend, mille juurde pääseb valge kitli ja kilesussidega
Kuidas paistab nähtamatu ehk Skaneeriva elektronmikroskoobiga vaatad põnevasse nanomaailma
Juhime tähelepanu, et artikkel on rohkem kui viis aastat vana ning kuulub meie arhiivi. Ajakirjandusväljaanne ei uuenda arhiivide sisu, seega võib olla vajalik tutvuda ka uuemate allikatega.
Igaüks teab, kui pikk on millimeeter. Natuke väiksem kui vahemaa kahe trükikirjas l-tähe vahel. Vaata siit – ll.
Nüüd võiks proovida ette kujutada ühikut, mis on tuhat korda väiksem kui millimeeter. See ei ole lihtne. Selle ühiku nimi on mikromeeter ning näiteks naise juuksekarva läbimõõt on umbes 70 mikromeetrit – seda saab palja silmaga näha küll.
Ja nüüd tuleks ette kujutada mikromeetrist omakorda tuhat korda väiksemat vahemaad. Või kui lähtuda taas millimeetrist, siis vahemaad, mis on millimeetrist miljon korda väiksem!
Kui te sellega hakkama saate, olete saabunud nanomaailma ehk väga väikeste, silmaga nähtamatute osakeste maailma, kus vahemaad on vaid veidi suuremad kui aatomite omavaheline kaugus.
Kuidas pakkida kingituseks südamekujuline plaadike kirjaga «Palju õnne sõbrapäevaks!», mis parimal juhul paistab silmale imetillukese täpina.
Umbes sellises mõõtkavas võis ju olla ka too nähtamatu juuksenõel, mille Pantalone pidi neiule juustesse torkama Ugala menuetenduses «Armastus kolme apelsini vastu».
Ometi ei ole see kõik näitemäng ega fantastika. Nanomõõdus maailma on võimalik päriselt näha, luubist ja tavalisest mikroskoobist jääb küll väheks, aga kui teil on käepärast skaneeriv elektronmikroskoop, siis palun!
Physicumi keldrikorrusel ühe labori väikses eestoas tuleb jalga panna sinised sussid, selga valge kittel ning kõik üleliigsed asjad maha jätta.
Skaneeriv elektronmikroskoop asub sealt edasi järgmises ruumis, kus valitseb ülerõhk, mis hoiab labori puhta ja tolmuvaba.
Üliterav ja ülisügav
/nginx/o/2017/10/19/7233137t1h9b6c.png)
Tartu ülikooli materjaliteadlane Maido Merisalu selgitab, et skaneerivas elektronmikroskoobis kasutatakse katseobjekti uurimiseks fokuseeritud elektronkiirt, milles elektronid on kiirendatud tohutu kiiruseni. Sõltuvalt eesmärgist mõnikord isegi enam kui 20 protsendi valguskiiruseni.
Sellise ülipeenikese, vaid mõnenanomeetrise läbimõõduga elektronkiirega skaneeritakse mikroskoobi töölauale asetatud proovi pind üle rida realt.
Elektronide ja uuritava aine vastasmõjul tekivad signaalid püütakse seejärel kinni erinevate detektorite abil. Ja kogutud signaalide põhjal luuakse katseobjekti pinnast arvuti abil kujutis.
Nii ongi võimalik tekitada pilte ülipisikestest detailidest mikroskoopilisel skaalal.
Skaneeriva elektronmikroskoobi lahutusvõime ehk peeneraldus on umbes tuhat korda parem kui tavalisel optilisel mikroskoobil ning see võimaldab vaadelda isegi imepeeni süsiniknanotorusid, mille läbimõõt võib olla kümne nanomeetri kandis.
Teine skaneeriva elektronmikroskoobi eelis on kujutise suur sügavusteravus. See tähendab, et ka kolmemõõtmelise kujuga katseobjekte on võimalik saada korraga fookusesse.
Physicumi skaneeriva elektronmikroskoobi teeb eriliseks veel selle juurde kuuluv ioonkahur, millega saab materjali söövitada sisselõikeid ning uurida lisaks pinnale proovi sisemust.
Mikromaailma näitus
Eelmisel nädalal oli Physicumi fuajees võimalik vaadata näitust piltidest, mis ilmuvad skaneeriva elektronmikroskoobi arvutiekraanile ühest või teisest katseobjektist.
/nginx/o/2017/10/20/7234439t1h20df.jpg)
Pilte oli nii Eesti teadlaste uurimistöödest, koostööprojektidest ülikooliga, praktikumidest, koolitustest kui ka ebaõnnestunud katsetest.
Esmalt jäid uudistajatele silma mikroskoopilised ioonkahuriga söövitatud pildid, mis olid valmistatud selle keeruka meetodi õppimise koolitusel.
Näiteks pilt imetillukesest maskist, mille valmistamiseks kaeti objekt õhukese, umbes ühe mikromeetri paksuse plaatinakihiga ning seejärel söövitati sinna suu, nina ja silmad. «Teose» originaalsuurus on umbes 40 korda 40 mikromeetrit.
«Või Einsteini portree, mis mahub tavalise Eesti neiu juuksekarvale,» räägib Maido Merisalu. Einsteini kujutis asetseb poleeritud alumiiniumplaadil, mis on orgaaniliste lahustite ja deioniseeritud veega enne puhastatud – isegi poleerimisjäljed on plaadil näha – ning siis spetsiaalse aluse peale kinnitatud. Kujutis ei ole ioonkahuriga käsitsi tehtud nagu plaatinamask, vaid ioonkiirega söövitamist on seekord juhitud arvutile etteantud koordinaatide abil, kus x- ja y-koordinaadid määrasid ära söövitamise koha ning z-koordinaat söövitamise sügavuse.
Näitusel oli ka üks «Palju õnne sõbrapäevaks!» soov, mille puhul võis tekkida küsimus, et kuidas niisugust südamekujulist plaadikest sõbrale küll üle anda ehk kuidas pakkida paberisse süda, mis parimal juhul paistab silmale imetillukese täpina.
Maido Merisalu märkis, et tõenäoliselt võiks see olla ilusas läbipaistva kaanega tolmuvabas karbis ning seal peituvat vaevumärgatavat täppi ehk mikroskoopilist struktuuri saaks uurida hiljem ehk luubi abil.
Hobusega ratsaniku pilt sai Merisalu sõnul tehtud aga ühele kursuseõele sünnipäevaks. Kingituseks sai aga siiski paberilehele prinditud arvutiekraanipilt, mitte tolmukübemeke ise.
Näitusel oli lisaks koolitusel valminud teostele pilte teadustöödest.
Skaneeriva elektronmikroskoopia meetodiga puutuvad praktikumides lähemalt kokku need üliõpilased, kes õpivad objektide prepareerimist ning nende uurimist just selle meetodiga.
Selleks et praktikume tudengitele veelgi põnevamaks teha, on katseobjektid pärit elust enesest – näiteks sool ja suhkur. Suhkur paistab kui hulktahukas ning soolatera nagu kuup.
Aga kui võtaks kärbse!
Bioloogiliste katseobjektide uurimine on üks keerulisimaid ettevõtmisi.
Kärbes tuleb kõigepealt kuivatada ja seejärel tükeldada, sest väga suuri osi, näiteks kärbest tervikuna, elektronmikroskoobi alla ei viida.
Uurimisobjektiks tasub võtta ainult tiib või tunnal või jalg või silm või tagumik. Putukad ei juhi aga elektrit ning selleks, et neid elektronmikroskoobiga uurida, tuleb tükeldatud osad katta imeõhukese, umbes kahe nanomeetri paksuse plaatinakihiga.
Mis lisaväärtust annab maailmale võimalus näha objekte sedavõrd suure suurenduse ning sügavusteravusega?
Vastus on: kui teada, mismoodi materjalid mikroskoopilisel skaalal välja näevad, on võimalik välja nuputada uusi viise, kuidas materjalide omadusi parandada või luua lausa uusi nanomaterjale.
Abi ettevõtetele
Merisalu sõnul kasutatakse skaneerivat elektronmikroskoopi aeg-ajalt ka ettevõtete tehnoloogiliste probleemide lahendamiseks.
See ei ole loomulikult ei lihtne ega odav, sest näiteks skaneeriva elektronmikroskoobi ühe töötunni hind käibemaksuta on juba 75 eurot. Aga väiksemail Eesti ettevõtjail on võimalik taotleda EASilt innovatsiooni- ja arendusosakuid, mis ongi mõeldud ettevõtete ning teadus- ja arendusasutuste vahel kontaktide loomiseks ning koostöö elavdamiseks.
Väga sageli ei osata või ei juleta ülikooli poole oma murega pöörduda, teab Merisalu, aga toob ühe näite, kus ka tema panus sees on.
«Tartu ülikooli teadlaste poole pöördus üks anodeerimisega tegelev ettevõte, kelle probleem oli toodete suur praagiprotsent – ligi 30,» rääkis ta. «Nad kirjutasid projekti EASilt innovatsiooniosaku saamiseks, meie tegime kompleksuuringu ning tulemuseks oli, et nende praagiprotsent läks nulli peale.»
Kes ei tea, siis anodeerimine on laialt levinud elektrokeemiline meetod, mille abil on võimalik suurendada teatud metallisulamite vastupidavust korrosioonile ja kulumisele või koguni parendada nende nakkumist värvide ja liimidega.
:format(webp)/nginx/o/2017/10/19/7233823t1h3242.jpg)
KES ON MAIDO MERISALU?
Tartu Ülikooli füüsikainstituudi materjaliteaduste insener Maido Merisalu sai tänavusel haridus- ja teadusministeeriumi auhinnagalal Aasta õppejõu tiitli.
Põhjuseks tema inspireeriv isiksus ning see, et ta tegeleb üliõpilaste igakülgse harimise kõrval ka teaduse populariseerimisega.
Tema trumbiks on õppeotstarbelised teadusvideod, kus tudengeil ja kõigil huvilistel on kolmemõõtmelisi animatsioone jälgides võimalik päriselt aru saada keerukate materjalide iseloomust ja nanotehnoloogiliste protsesside olemusest.
Et videodeni jõuda, muretses ta esmalt tarkvara ja õppis oma vabast ajast selgeks 3D-animatsioonide valmistamise. Tema töö näiteid võib leida Maido Merisalu enda loodud firma Captain Corrosion OÜ veebilehelt ja Youtube kanalilt.
Maido Merisalu on juba kaheksa aastat läbi viinud erinevaid praktikume, andnud loenguid ning juhendanud üliõpilaste uurimustöid bakalaureuse- ja magistriõppes.
Merisalu üks põhimõtteid on, et põnev peab olema.
Näiteks tuleb tal auditooriumis seista üpris sageli keemikute ees, mis ei ole sugugi lihtne.
«Kas teate, kes lähevad keemiat õppima?» küsib ta. «Väga sageli need, kes on lootnud füüsikast pääseda. Aga magistriõppe esimesel aastal tuleb neil ainekursus – füüsikalised uurimismeetodid keemias, ning sinna tullakse mõnikord suure eelarvamusega.»
Teoreetilised peatükid oma ainest on Merisalu korraldanud viisil, et enne iga loengut peavad tudengid end kindlasti ette valmistama. Loengus räägib ta sama teema üle ning siis oskavad üliõpilased juba küsimusi küsida, sest nad hakkavad asjast aru saama. Iga teoreetilise loengu lõpus teeb Merisalu tunnikontrolli, kus tudengid saavad asjad ka iseseisvalt läbi mõelda ja vastused kirja panna.
«Kui ma varem tegin paar kontrolltööd semestris, siis õppisid nad ehk ühe öö, aga selgeks seda ainet ei saanud,» rääkis ta. «Aga nüüd, mil nad peavad pingutama igaks loenguks, on tulemused palju paremad.»
Teoreetilistele loengutele järgnevad praktikumid, kus üliõpilastel avaneb võimalus kasutada kõrgtehnoloogilist teadusaparatuuri, et uurida põnevaid katseobjeke. Sel sügisel on Merisalul plaanis lasta tudengeil uurida meteoriiti nii skaneeriva elektronmikroskoopia, röntgenfluorestsents-spektroskoopia kui ka röntgendifraktsioon analüüsi meetoditega, et saada teada mis saladused peituvad veel hiljaaegu kosmoses olnud katsekehal.
Maido Merisalu on 33 aastat vana.
Ta tuli ülikooli materjaliteadust õppima 2006. aastal, läbis ühe jutiga bakalaureuse ja magistriõppe ning nüüd on doktorantuuris – kraad veel kaitsmata.
Merisalu tunnistab, et päris sirge ta tee ei ole olnud, kuna pärast keskkooli üritas teha hoopis muud, õppis keskkonnatehnoloogiat ja infotehnoloogiat ning siis tegi ka lihtsat tööd, valmistades eksklusiivseid puidust karpe. Kui ta lõpuks mõistis, et kõrgharidust on kindlasti vaja, siis tundus materjaliteadus õige asi ning seni ei ole ta oma meelt muutnud.
Tartu ülikooli õpingute ajal taipas Merisalu, et ainult raamatute ja loengute abil on osadest teemadest väga keeruline aru saada. Nii on ta oma firmaga loonud nüüdseks juba üle saja õppevideo, mis levivad veebis hästi ja tutvustavad materjaliteadlaste tööd ning Eesti teadust populaarteaduslikus vormis üle kogu maailma.