Z czego jesteśmy zbudowani? Co nas utrzymuje przy życiu? Poszukiwania odpowiedzi na te pytania trwają od dawna, ale wciąż wiele jeszcze pozostaje do odkrycia…  Widzimy tyle, na ile pozwalają nam nasze oczy. Ale czasem warto zajrzeć głębiej, aby sprawdzić z czego tak naprawdę zbudowany jest świat dookoła nas. Jak to zrobić?

Badania nad strukturą materii i obserwacje mikroskopowe pozwoliły częściowo odsłonić tajemnice wszechświata. Świat jest pełen wielu różnych substancji: od twardych, lśniących metali i pięknych diamentów po miękkie plastiki i czarny, kruchy węgiel. Ale w środku, każda rzecz składa się z takich samych elementów – niewyobrażalnie małych drobinek zwanych atomami. Przyjrzyjmy się temu z bliska…

Nasz świat materialny zbudowany jest z atomów. Ok. 430 roku p.n.e. teorię
o atomistycznej budowie świata ogłosił Demokryt (rys. 1), twierdząc, że materia zbudowana jest z niepodzielnych cząsteczek. Ogłosił, iż cząsteczki te poruszają się w próżni, a ich łączenie się oraz rozdzielanie jest punktem wyjścia wszystkich zjawisk.

Rys. 1. Demokryt [1]

Ten grecki filozof twierdził, że ruchy atomów nie są przypadkowe, że nie można ich zniszczyć, gdyż nie znikają i nie powstają, zatem świat nie ma ani początku, ani końca. Kształtem atomów wyjaśniał różnice w postrzeganiu poszczególnych cech rzeczy i tłumaczył odmienność różnych ciał. Według niego, atomy składające się na płyny, mają krawędzie gładkie po to by łatwo się rozpadać, natomiast te o krawędziach szorstkich, nawzajem się zahaczających, tworzą ciała stałe. Obwieścił on, że jakakolwiek zmiana jest tylko połączeniem lub rozłączeniem części, że z niczego nic nie powstaje [2]. Można pokusić się o stwierdzenie, że wiedziano już wtedy bardzo wiele, choć tylko na podstawie czystej spekulacji, gdyż brakowało jednoznacznego potwierdzenia doświadczalnego tych teorii.

Badania nad strukturą materii i obserwacje mikroskopowe pozwoliły częściowo odsłonić tajemnice wszechświata. Świat jest pełen wielu różnych substancji: od twardych, lśniących metali i pięknych diamentów po miękkie plastiki i czarny, kruchy węgiel. Ale w środku, każda rzecz składa się z takich samych elementów – niewyobrażalnie małych drobinek zwanych atomami.

Dopiero pierwsze urządzenia optyczne pozwoliły na odkrycie obiektów niewidzialnych gołym okiem. W pierwotnych mikroskopach do oświetlenia obserwowanych obiektów wykorzystywano światło dzienne. Pierwsze konstrukcje tego typu pojawiły się ok. roku 1590, a za ich twórców uważa się Zachariasza i Hansa Janssen [3]. Były to mikroskopy optyczne o niewielkim powiększeniu (ok 10x).

W zasadzie to wiek XIX przyniósł znaczący postęp w rozwoju konstrukcji różnych mikroskopów optycznych, co skutkowało ewolucją w wielu dziedzinach nauki. Znaczącym przełomem w obszarze mikroskopii było wynalezienie mikroskopu elektronowego, gdzie do tworzenia obrazu wykorzystywana jest wiązka elektronów. Pierwszy mikroskop elektronowy transmisyjny (TEM) został skonstruowany w 1931 r. przez Ernsta Ruska  [4], zaś pierwszy mikroskop elektronowy skaningowy (SEM) był dziełem niemieckiego fizyka Maxa Knolla (rok 1935) [5]. Od tego czasu mikroskop elektronowy stał się coraz powszechniej stosowanym urządzeniem zarówno w sferze naukowej jak i technicznej, pozwalając osiągać powiększenia rzędu do 500.000x.

Dynamiczny rozwój nowych mikroskopów elektronowych (rys. 3-4)  w różnym stopniu spełniających oczekiwania użytkowników, wspierany jest obecnie coraz szybszymi komputerami. Pojawiają się możliwości łączenia poszczególnych technik mikroskopowych, co daje naukowcom nowe sposobności i poszerza horyzonty badawcze.

Rys. 3. Mikroskop elektronowy skaningowy JEOL JSM 840A (rok produkcji: 1990)

Rys. 4. Mikroskop elektronowy skaningowy TESCAN VEGA GMS (rok produkcji: 2021)

Możliwości obrazowania z zastosowaniem mikroskopu elektronowego skaningowego pozwalają na poznawanie świata, którego nie jesteśmy w stanie zobaczyć gołym okiem. Istotą mikroskopii elektronowej skaningowej jest wykorzystanie skanującej wiązki elektronów w celu uzyskania obrazu. Określony obszar powierzchni badanej próbki zostaje poddany działaniu skanującej, skupionej i skoncentrowanej wiązki elektronowej o określonej energii [6]. Wiązka ta wnika w warstwę wierzchnią materiału i wzbudza w niej różne sygnały: wzbudzony sygnał elektronów daje możliwość obrazowania obserwowanej powierzchni, a wzbudzone charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie pozwala na określenie składu pierwiastkowego badanego obiektu [7].

Rys. 5. Powierzchnia stopu Ti-Al po utlenianiu w wysokiej temperaturze

Rys. 6. Analiza składu chemicznego wykonana dla złotej biżuterii

Uzyskane obrazy, dzięki dużej głębi ostrości, dają jakby trójwymiarowy obraz badanej powierzchni (rys. 5). Analiza składu chemicznego badanej próbki, pozwala przekonać się z jakim materiałem w rzeczywistości mamy do czynienia. Jak widać (rys. 6)  nie wszystko złoto, co się świeci 😉

Istotą mikroskopii elektronowej skaningowej jest wykorzystanie skanującej wiązki elektronów w celu uzyskania obrazu.

Takimi możliwościami dysponujemy dzisiaj i dzięki temu jesteśmy w stanie dotrzeć do wielu tajemnic natury. Jednak żaden naukowiec nie odważy się powiedzieć, że wiemy już wszystko … Zapewne jeszcze wiele przed nami do odkrycia…

LITERATURA

[1] Archiwum Ilustracji WM PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN

[2] P. Skalski, Demokryt i zasada nieokreśloności, Praktyka Teoretyczna 3(21)

[3] Encyklopedia PWN

[4] A. Barbacki, R. Czajka, K. Jóźwiak, T. Kachlicki, Mikroskopia elektronowa, WPP, Poznań 2005,

[5] G. Słowik, Podstawy mikroskopii elektronowej i jej wybrane zastosowania
w charakterystyce katalizatorów nośnikowych, Adsorbenty i katalizatory. Pod redakcją Janusza Ryczkowskiego Rozdział 12, Uniwersytet Rzeszowski, 219-243

[6] S. A. Phillips, Pyrotechnic residues analysis – detection and analysis of characteristic particles by SEM–EDS, Problems of Forensic Sciences 2001, XLVI, 311–316

[7] J. I. Goldstein, D.E. Newbury, P. Echlin, D. C. Joy, C.E. Lynman, C. Fiori, E. Lifshin, Scanning elektron microscopy and microanalysis, Plenum Press, New York & London 1992

Na górnym zdjęciu – Autorka (archiwum PO)

---

*z wiersza Williama Blake’a „Wróżby niewinności” (tłum. Zygmunt Kubiak)