أجهزة مجسات المسح

إن أولى الأدوات التي ساعدت على انطلاق ثورة العلم النانوي هي ما يُسمّى أجهزة مجسات المسح scanning probe instruments. تقوم هذه الأجهزة كلّها على فكرة طوّرتها مختبرات IBM في زوريخ أولاً في ثمانينيات القرن العشرين. والفكرة بسيطة من حيث المبدأ: إذا ما حككت إصبعك بسطح فإنك تستطيع بسهولة تمييز ما إذا كان مُخملاً أو فولاذاً أو خشباً أو قطراناً؛ فالمواد المختلفة تُبدي قوى مختلفة تجاه إصبعك أثناء مسحها للسطوح المختلفة. وفي هذه التجارب تعمل إصبعك وكأنها أداة لقياس القوة؛ فزلقها على صفيحة حريرية أسهل من زلقها على قطران دافئ لأن القطران الدافئ يُبدي قوة تعيق حركة الإصبع أكثر من إعاقة الحرير لها. هذه هي فكرة مجهر القوة الماسح scanning force microscope، وهو أحد أنواع مجاهر مجسات المسح.

ينزلق مجس المسح، أو الرأس، على السطح كما ينزلق إصبعك. لكن المجس نانوي الأبعاد، ومقاسه يساوي غالباً مقاس ذرة واحدة في مكان مسح الهدف. وأثناء انزلاق المجس يمكنه قياس خواص مختلفة تبعاً لنوعه. على سبيل المثال، تُستعمل في مِجْهَر القوة الذرية atomic force microscope AFM، الإلكترونيات لقياس القوة التي تؤثر في رأس المجسّ أثناء انتقاله على السطح. وهذا هو تماماً نوع القياس الذي يحصل عند زلق إصبعك على السطح، لكن بعد تقليصه حتى السلم النانوي.

وفي مِجْهَر المسح النفقي scanning tunneling microscope STM، تُقاس شدة التيار المارّ من رأس المسح إلى السطح وبناء على الطريقة التي يجري القياس بها يمكن استعمال المسح النفقي إما لكشف التركيب الهندسي المحلّي (مقدار نتوءات السطح المحلية) أو لقياس خصائص النقل الكهربائي المحلية. وكان المسح النفقي فعلاً أول طرائق مجسات المسح التي جرى تطويرها، وقد حصل غرد بنغ Gred Binnig وهاينريش رورر Heinrich Rohrer على جائزة نوبل مناصفة لعام 1986 تقديراً لتطويرهما تلك الطريقة.

وفي مِجْهَر القوة المغنطيسية magnetic force microscope MFM يتكون رأس المسح من مغناطيس، ويُستعمل لتحسس البنية المغنطيسية المحلية على السطح ويعمل الماسح المغناطيسي بطريقة مشابهة لعمل رأس القراءة في سواقة القرص الصلب أو مسجلات الصوت.

وتستعمل خوارزميات تحسين حاسوبية للحصول على صورة يستطيع الناس قراءتها من أي جهاز مجسات ماسحة. ومن أمثلة تلك الصور صورة المعداد النانوي. وثمة حاجة إلى كثير من التحسينات لجعل النتيجة الخام تظهر بجودة صور الأشعة السينية التي تؤخذ لأمتعتك في المطار. ولا تستطيع أجهزة مجسات المسح تصوير الأشياء التي من مقاس الأمتعة، بل هي مفيدة في قياس البنى في سلم المقاسات الممتد من مقاس ذرة واحدة حتى السلَّم الميكروي. والتقانة النانوية سوف توفّر لنا طرائق أخرى لكشف أمتعة المخالفين.

ثمة أنواع أخرى من مجاهر المسح الميكروي أيضاً، وهي تُسمّى بمجاهر مجسات المسح لأنها تقوم على الفكرة العامة للمسح النفقي. فالفكرة الهامة فيها جميعاً هي أن رأساً ماسحاً نانوي المقاس يُستعمل لتصوير البنى النانوية باستعمال قوى أو تيارات أو كبح مغناطيسي أو تمييز كيميائي أو أي خواص أخرى.

الشكل 4-2: رأس مُجهَر مَسْح نفقي مصنوع من التنغستين

اقتبست الصورة بعد موافقة Hersam Group, Northwestern University.

يُبين الشكل 4 ـ 2 مثالاً لواحد من رؤوس المسح تلك. وقد مكنت مجاهر المجسات الماسحة من رؤية أشياء ذات أبعاد ذرّية أول مرّة، وكانت ذات أهمية كبيرة لقياس وفهم البنى نانوية المقاس.

المطيافية

تعني المطيافية spectroscopy تسليط ضوء ذي لون مُعيَّن على عينة وملاحظة امتصاصه وتبعثره، إضافة إلى خواص المادة المدروسة الأخرى. والمطيافية هي تقنية أقدم كثيراً وأعم من تقنية مجاهر مجسات المسح، وهي توفّر كثيراً من التوصيفات الإضافية.

بعض أنواع المطيافية مألوف في الحياة اليومية. فآلات الأشعة السينية مثلاً تمرر إشعاعاً عالي الطاقة عبر الجسم الذي يجري فحصه، وتسجل كيفية تبعثره بواسطة النوى الثقيلة لأشياء من قبيل الفولاذ والعظام. وتُنتج الأشعة السينية التي تعبر الجسم صورة رأى مثلها الكثيرون منا في عيادة الطبيب بعد زلة على الجليد أو في حوض الحمام والتصوير بالمرنان المغنطيسي magnetic resonance imaging هو نوع آخر من المطيافية المألوفة لنا التطبيقات الطبية. يُستعمل كثير من أنواع المطيافية ذات طاقات الضوء المختلفة في تحليل البنى النانوية. أما الصعوبة الشائعة فيها هي أن لكل ضوء طول موجة مميزاً، وهذا ما يجعله غير مفيد كثيراً في دراسة البنى التي هي أصغر من ذلك الطول. ونظراً إلى أن طول موجة الضوء المرئي يقع بين 400 و900 نانومتر تقريباً فإنه لن يكون مفيداً في رؤية الأشياء التي لا تزيد مقاساتها على بضعة نانومترات. إن المطيافية عظيمة الأهمية لتوصيف البنى النانوية الإجمالية، إلا أن معظم أنواعها لا يُعطينا معلومات عن البنى في سُلَّم النانومتر.

الكهروكيمياء

تتعامل الكهروكيمياء electrochemistry مع كيفية تغيير السيرورات الكيميائية بتطبيق تيارات كهربائية وبكيفية توليد التيارات الكهربائية من التفاعلات الكيميائية. وأكثر التجهيزات الكهروكيميائية شيوعاً هي البطاريات التي تُنتج طاقة كهربائية من تفاعلات كيميائية. أما السيرورة المعاكسة فتظهر في الطلاء الكهربائي electroplating حيث تترسب المعادن على سطح المادة التي تُطلى، لأن شوارد المعدن الموجبة الشحنة تمتص الإلكترونات من التيار المار عبر السطح وتتحوّل إلى معادن محايدة. تُستعمل الكهروكيمياء على نطاق واسع في صنع البنى النانوية، ويمكن استعمالها أيضاً في تحليلها. ويمكن قياس طبيعة ذرّات سطح صفيفة مباشرة باستعمال الكهركيمياء، وتُستعمل تقنيات كهركيميائية متقدمة (ومنها تقنيات مجسات مسح کهروكيميائية) غالباً لبناء البنى النانوية ودراستها.

المجهر الإلكتروني

كانت الطرائق التي تمكن من رؤية البنى النانوية إفرادياً متوفّرة حتى قبل تطوير تقنيات مجسات المسح وتقوم تلك الطرائق على استخدام الإلكترونات بدلاً من الضوء لمعاينة بنية المادة وسلوكها وهي أنواع مختلفة من التضخيم الإلكتروني، إلا أنها جميعاً تقوم على الفكرة العامة نفسها. تُسرع الإلكترونات وتمرّر عبر العينة وتتبعثر تلك الإلكترونات عندما تتلاقى مع نوى ذرّات العينة وإلكتروناتها. وبتجميع الإلكترونات التي لم تتبعثر يمكننا بناء صورة تُري أمكنة الجسيمات التي بعثرت الإلكترونات التي لم تعبّر العينة. يبين الشكل 4 ـ 2 ما يُسمّى بصورة مِجْهَر النفاذ الإلكتروني TEM))transmission electron microscope. ضمن الظروف الجيدة، يمكن لصور مجهر النفاذ الإلكتروني أن تحقق دقة resolution كافية لرؤية الذرّات إفرادياً، إلا أنه غالباً ما يجب طلاء العينات أولاً قبل تصويرها. يُضاف إلى ذلك أن مِجْهَر النفاذ الإلكتروني لا يستطيع تصوير سوى البنية المادية، لا القوى التي من قبيل قوى الحقلين الكهربائي والمغنطيسي. ومع ذلك ثمة كثير من الاستعمالات للمجهر الإلكتروني، وهو مستعمل على نطاق واسع في تحليل البنى النانوية وتفسيرها.