Atomların nasıl göründüğünü [araştırmak] için internete baktığınızda şunlara benzer resimler bulursunuz:
 |
 |
 |
|---|---|---|
| Bir STM görüntüsü | Üst: Bir organik molekülün görsel modeli. Alt: Aynı organik molekülün AFM görüntüsü | Bir nanoparçacığın TEM görüntüsü |
Bu yazıda, bu görüntülerin nasıl elde edildiğinden, tam olarak neye baktığımızdan ve bir atomu görmenin gerçekte ne anlama geldiğinden bahsedeceğim.
Gözlerinizle Görün
[Yazının başlığındaki] itibari sorunun cevabı “görmek” ile aslında ne demek istediğimize bağlıdır. Bir nesneyi, ondan yayılan veya yansıyan ışık gözlerimize ulaştığında ve [ilgili] sinyal beynimize iletildiğinde görürüz. Çıplak insan gözünün çözünürlüğü yaklaşık 100 mikrondur. Bir atomu diğerinden tefrik eden boyut yaklaşık bir nanometrenin onda biri kadardır ve bir milyon atom genişliğindeki bir toz zerresini zar zor görebiliriz. Dolayısıyla hayır, bir atomu bu anlamda göremeyiz. Peki ya büyüteç kullanırsak? Veya mikroskop ya da teleskop kullanırsak? Bir elektron mikroskobu? Bir şeyi görmenin ne anlama geldiğine dair çizgiyi nereden çekeriz?
Bu makalenin amacı kapsamında ben bu çizgiyi, pasif optiklerin, yani mercek ve aynaların görünür [ışık] frekansı ile çiziyorum. Şayet bir mikroskop, ışığı elektrik sinyallerine dönüştürüyorsa veya insan gözünün yapabileceğinden daha uzun süre veri topluyorsa ya da sinyali dijital olarak güçlendiriliyorsa veya ışık hiç kullanılmıyorsa, bu durumların [hepsinde], baktığımız şey nesnenin kendisi değil, [kullandığımız] bilgisayar ekranının gösterdiği şeydir. Yani atomları ne çıplak gözle ne de bir ışık mikroskopuyla görebiliriz, zira en iyi mercekler ve aynalar bile [belli] bir dalga boyunun yaklaşık yarısı olan ve 1000 ile 2000 atom [uzunluğuna] karşılık gelen 200 nanometrelik bir kırınım sınırını aşamazlar. Görünür ışığı kırabilen camlar gibi x-ışınlarını kırabilen malzemeler olsaydı, belki bir x-ışını mikroskobu yapabilirdik, fakat böyle bir malzeme yoktur.
Gözlerimiz atomları göremiyorsa gördükleri şeyler nelerdir?
Transmisyon [Geçirimli] Elektron Mikroskobu
Karşılaştığımız elektron mikroskobu görüntülerinin çoğu, bir elektron demetini, bir numunenin metalle kaplanmış yüzeyinden sektiren taramalı (scanning) elektron mikroskoplarından (SEM) alınmıştır. Bunların atomik bir çözünürlüğü yoktur. Transmisyon elektron mikroskopları (TEM), elektron demetini numunenin bir yüzeyine gönderir ve karşı taraftaki yüzeyde tespit eder. SEM [görüntüleri] tıbbi ultrason [görüntülerine] benzetilirse TEM [görüntüleri] röntgen [görüntüleri] gibi olur.
Bir TEM görüntüsünü yorumlamanın basit yolu, görüntüde parlak görünen yerlerde elektronları bloke eden daha az atom olduğunu [düşünmektir]. Yani çözünürlük yeterince yüksekse ve aşağıdaki gibi bir şey görüyorsanız, muhtemelen aynı düzlemde bulunan atomların yerine, tek bir atomun değil, bir atom sütununun izdüşümünün gölgesini görüyorsunuzdur.
 |
|---|
| Bir TEM görüntüsü |
Teknoloji yıllar içinde gelişti ve artık tek katmanlı grafen üzerinde TEM yapmak ve atomik yapıyı bir karbon tabakası üzerinde görmek mümkün hale geldi ki bu bence oldukça etkileyici bir şey.
 |
|---|
| Grafenin TEM görüntüsü |
 |
|---|
| Görüntüdeki parlak noktalar, elektronları bloke eden daha az atomun bulunduğu bölgelerdir. Elektronlar numuneden geçtikten sonra yeniden odaklanmak zorunda oldukları için TEM görüntülemenin çalışma biçimi tam olarak bu değildir. |
Atomik Kuvvet Mikroskobu
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) bir elektron mikroskobu değil, taramalı sonda/yoklama (probe) mikroskoplarının bir örneğidir. Temel olarak, ucunda çok çok küçük bir uç bulunan ve genellikle birkaç milimetre gibi görülebilecek boyutlarda olan küçük bir platformdur. Platform ve uç, bir yüzey boyunca sürüklenir ve bir lazer ışını, platformun yüzeyinden geri yansıtılır. Platformun sapması ışını da saptırır ve böylece söz konusu [sapmalar] kaydedilebilir.
 |
|---|
| Sol: AFM çalışma yönteminin şeması. Orta: Bir AFM konsolunun SEM görüntüsü. Sağ: Bu resim neden var bilmiyorum ama buraya koymak istedim |
[AFM’ler] şu iki temel yöntemle çalışırlar. Birincisinde platform, platformun tıklama modu denen rezonans frekansıyla aşağı-yukarı doğru titreşir. Bir şey uç ile etkileşime girdiğinde, platformun frekansı değişir ve bu [değişiklik] kaydedilir. İkincisinde uç sadece sabit bir yükseklikte tutulur ve yüzeydeki [herhangi bir] nesne tarafından kaldırıldığında platformda meydana gelen sapma ölçülür.
 |
|---|
| Her şey GIF olduğunda daha güzel |
Bir AFM’nin çözünürlüğü temelde ucunun ne kadar keskin olduğuna bağlıdır ve tek bir atomla biten bir uçla atomik bir çözünürlüğe sahip olabilir. Dolayısıyla [AFM] görüntüleri, bir yüzeyin son derece keskin bir uçla taranması ve [tarama sırasında] her noktada uca uygulanan kuvvetin veya yüzeyin yüksekliğinin ölçülmesi sayesinde oluşur. Ölçümler, tek tek atomların neden olduğu yüzey sapmalarını tespit edecek kadar hassas olabilir.
Uç, [yüzeyi], genellikle düz bir çizgi üzerinden tarar, ardından hafifçe kayar ve tekrar tarar. Atomik olarak düz olan bir yüzeyde, her çizgi bir zikzak deseni gibi görünür ve bunları bir araya getirerek, isterseniz üç boyutlu da yapabileceğiniz iki boyutlu bir görüntü elde edersiniz.
 |
|---|
| Bir düzlemde bulunan atomların yüksekliklerini gösteren 2 nm uzunluğunda kare şeklinde bir görüntü |
Bu makalenin başında gösterilen [1. Şekil Orta-Alt] organik molekülü görüntülemek için kullanılan yöntem budur. Yalnızca çok keskin bir uç değil, aynı zamanda saatlerce süren son derece yavaş bir tarama gerektirir. Çok etkileyici.
Taramalı Tünelleme Mikroskobu
Taramalı sonda/yoklama mikroskoplarının bir başka örneği olan taramalı tünelleme mikroskobu (STM), ucun sapmasını ölçmek yerine uçtan elektron fırlatan bir AFM’ye benzer. Elektronlar uçtaki atomlara bağlanır, ancak uç ile yüzey arasına bir voltaj uygulanır ve bu, elektronları uçtan yüzeye kuantum tünelleme yapmaya daha yatkın hale getirir. STM, her noktada yüksekliği ölçmek yerine, elektronun tünelleme yapma olasılığını (teknik olarak, yerel [elektronik] durum yoğunluğunu) ölçer.
STM görüntülerini oluşturanlar, genellikle bu görüntüleri 3 boyutlu olarak yoğun bir biçimde işlediklerinden birisinin bir atomun hemen yanında bir kamera tutup flaşla o atomun fotoğrafını çekmiş gibi bir görüntü ortaya çıkar. 1980’lerde IBM’in bu tekniği, bu nedenle icat ettiğini [söyleyen] bir hissim var. STM’in harika bir özelliği, tünelleme olasılığının yüzeyin elektron yoğunluğuna bağlı olmasıdır, dolayısıyla bu görüntülerde serbest yüzey elektronlarının dalga fonksiyonunu gerçekten görselleştirebilirsiniz.2
 |
|---|
| STM’in çalışma prensibini anlatan bir görsel |
 |
|---|
| Bir STM görüntüsü |
 |
|---|
| IBM Oğlanı ve Atomu |
Alan Emisyon Mikroskobu, Alan İyon Mikroskobu ve Atom Sonda/Yoklama Tomografisi
 |
|---|
| Bir platin ucun yüzeyi. Farklı atom rozetleri farklı kristal yüzeyleridir. |
Atomik çözünürlükte görüntü alabilen en eski tekniklerden birisi olan alan emisyon mikroskobu, bir tungsten uç ile bir ekran arasında büyük bir voltaj (binlerce volt) uygulamayı gerektirir. Elektronlar uçtan dışarı fırlamaya başlarlar ve [uç ile ekran arasındaki] düzgün olmayan elektrik alanı takip ederek ekrana çarparlar. Çarpan elektronların ekran üzerindeki pozisyonları not edilir ve ucun neresinden geldiğini bulmak için geriye doğru izlenir. Bu [yöntem], uçtaki her bir atomun konumunu belirlemek için kullanılabilir.
 |
|---|
| Uç ile ekran arasına bir gerilim uygulanır. Elektronlar uçtan fırlar, elektrik alanı takip ederler ve uçtaki atomların nasıl organize olduklarını bulmak için geriye doğru takip edilirler. |
[Bu yöntemin], ucunda elektron yerine atomları tutan ve sonra fırlatan alan iyon mikroskobu ve yıkıcı bir teknik olarak belli bir örneğe başlı başına atomların fırlamasına yetecek kadar voltaj uygulanmasını içeren atom sonda/yoklama tomografisi gibi başka varyantları da vardır.
Atomik görüntüleme: Artık 3 boyutlu!
[Yukarıda anlatılan görüntüleme] teknikleri genellikle bir düzlemdeki atomların konumlarını belirlemeye ve ardından bu konumların insanların atomların nerede olduğunu görebilecekleri şekilde temsil edilmesine dayanır. Bununla birlikte, atomların konumlarını üç boyutlu görüntüleyebilen birkaç yöntem [daha] vardır. Az önce bahsettiğimiz Atom Sonda/Yoklama Tomografisi [bunun] bir örneğidir. Numuneden fırlayıp uçan her bir atomun orijinal konumu tespit edilebilir ve bu konumların üç boyutlu bir görüntüsü oluşturulabilir. Üstelik farklı elementler de ayırt edilebilir. Ancak [bu teknik] genellikle küçük ve dar bir koni şeklindeki nesnelerle sınırlıdır.
 |
|---|
| Galyum/İndiyum koni |
Yakın bir zaman önce Nature tarafından üretilen ve TEM ile bilgisayarlı tomografi (CT) görüntülemesini etkin bir şekilde birleştiren bir makaleyle ilgili bir video izledim. Bir nanoparçacığın farklı açılardan alınan iki boyutlu TEM görüntüleri parçacıktaki 27.000 atomun üç boyutlu haritasını çıkarmak için birleştirilmişti. Bunu oldukça etkileyici buldum.
Özet
Atomları gözlerimizle veya gözlerimizi güçlendiren herhangi bir şeyle göremeyiz, ancak atomların konumlarıyla ilgili [problemi] bir şekilde halledebilir ve [söz konusu konumları] görebileceğimiz şekilde temsil edip sunabiliriz.
1 https://www.physicsforums.com/insights/can-see-atom/ ↩
2 [Arnold Neumaier bu cümleyi şöyle eleştirmiş -ç.n.]: Elektronların dalga fonksiyonu çok parçacıklı bir dalga fonksiyonu olduğu ve 3 boyutlu bir şey gördüğümüz için [bu cümlenin] ikinci yarısı tam olarak doğru değildir. Görselleştirilen şey, elektron alanının yük yoğunluğudur. ↩
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder