07.11.2011

Prawdziwy tytan wśród mikroskopów już w AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza od niedawna jest wyposażona w jeden z trzech najpotężniejszych na świecie mikroskopów - najnowszej generacji analityczny mikroskop elektronowy (S)TEM FEI Titan Cubed G-2 60-300. Urządzenie znajduje się w laboratorium Międzynarodowego Centrum Mikroskopii Elektronowej AGH na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. - Titan Cubed jest jednym z najistotniejszych osiągnięć techniki w dziedzinie mikroanalizy w skali atomowej - mówi kierownik Centrum, prof. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz z Katedry Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków AGH.


Titan powiększa aż 3 miliony razy, z oczywistych względów badana próbka musi być odpowiednio mała - przygotowuje się ją pod innym mikroskopem, gdyż nie widać jej gołym okiem.

Titan znajduje się w specjalnie przystosowanym pomieszczeniu zbudowanym w taki sposób, aby maksymalnie odizolować wszelkie bodźce dochodzące z zewnątrz, które mogłyby zakłócić pracę mikroskopu i wpływać na wyniki badań.

Wygląd urządzenia robi ogromne wrażenie - ma ono 4,5 metra wysokości i waży 3,5 tony.

- Jeśli makrokosmos badamy teleskopem Hubble'a, to tym mikroskopem badamy mikrokosmos. Badamy nanostrukturę w skali atomowej. Ponieważ struktura rzutuje na właściwości, znając ją, możemy sterować jak chcemy właściwościami materiałów - wyjaśnia prof. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz.

 

Już sam wygląd urządzenia robi ogromne wrażenie - ma ono 4,5 metra wysokości i waży 3,5 tony. Znajduje się w specjalnie przystosowanym pomieszczeniu zbudowanym w taki sposób, aby maksymalnie odizolować wszelkie bodźce dochodzące z zewnątrz, które mogłyby zakłócić pracę mikroskopu i wpływać na wyniki badań. Przygotowanie pomieszczenia trwało kilka miesięcy, a montaż sprzętu wartego 15 mln zł - siedem tygodni. Laboratorium, posadowione na tłumiących drgania fundamentach, wyposażono w panele chłodzące, utrzymujące stałą wilgotność i temperaturę, oraz w aparaturę neutralizującą pole magnetyczne. Specjalna obudowa chroni przed zanieczyszczeniami i izoluje od drgań akustycznych.

 

Naukowcy mają swoją pracownię na antresoli umieszczonej mniej więcej w połowie wysokości Titana, od którego są oddzieleni szklanymi taflami. Tam na monitorach komputerów obserwują efekty pracy mikroskopu. Do wnętrza pomieszczenia naukowcy wchodzą tylko po to, by umieścić w nim próbkę. Muszą przy tym zakładać ubranie ochronne, rękawiczki i ochraniacze na obuwie, aby zminimalizować możliwość dotarcia do mikroskopu zanieczyszczeń. Ponieważ mikroskop powiększa aż 3 miliony razy, z oczywistych względów badana próbka musi być odpowiednio mała - przygotowuje się ją więc... pod mikroskopem. Próbki nie widać bowiem gołym okiem.

 

Poprzez badania struktury i składu chemicznego materiałów uczeni mogą przewidzieć, jak będą się one zachowywać w trakcie użytkowania. Takie informacje są niezwykle ważne m.in. dla konstruktorów różnego typu urządzeń czy konstrukcji (elementów samolotów, samochodów, mostów itp.), którzy chcą użyć danego materiału do ich budowy. A ponieważ o własnościach materiału decyduje jego mikrostruktura, to umiejętna analiza wyników badań pozwoli orzec, czy wskazany materiał nadaje się pod względem wytrzymałości, a także dowiedzieć się, czy i w jaki sposób można zmienić jego budowę na poziomie molekularnym, aby poprawić jego właściwości. Dzięki Titanowi można też sprawdzić, jak w dłuższej perspektywie będzie się zmieniała mikrostruktura materiału.

 

- To również jest niezwykle ważne, bo dzięki takiej wiedzy przewiduje się czas, po jakim dany element należy wymienić. Czyli możemy badać materiały w stanie wyjściowym, po wyprodukowaniu - albo pomagać w projektowaniu tych materiałów, znając ich pierwotną budowę i skład chemiczny - wyjaśnia dr inż. Grzegorz Michta. - Od kilku lat obserwuje się na świecie szalony rozwój nanotechnologii i nanomateriałów. Rozwój ten jest możliwy jedynie wtedy, gdy mamy możliwość kontrolowania procesów zachodzących na poziomie atomowym. Bo każda technologia wymaga stosowania adekwatnych metod badawczych. W przypadku nanotechnologii transmisyjna mikroskopia elektronowa jest jedyną metodą bezpośredniej obserwacji struktur na poziomie atomowym. Możemy analizować wpływy, nawet pojedynczych atomów, na strukturę i właściwości badanych materiałów - tłumaczy dr hab. inż. Władysław Osuch.

 

Mikroskop Titan Cubed umożliwia badanie najmniejszych elementów struktur metali, związków chemicznych czy tkanek biologicznych. Pozwala oglądać próbki w powiększeniu trzech milionów razy przy rozdzielczości 70 pikometrów, nieosiągalnej w innych tego typu urządzeniach. W praktyce oznacza to, że w badanej próbce możemy zobaczyć pojedyncze atomy. - To poziom, do którego musimy zejść, aby kontrolować własności materiałów - tłumaczy dr inż. Beata Dubiel. Jednak najciekawsza w tym mikroskopie jest funkcja mikroanalizy składu chemicznego metodą spektroskopii rentgenowskiej w skali atomowej. Niewiele mikroskopów analitycznych na świecie ma system mikroanalizy promieniowania rentgenowskiego zwany ChemiSTEM. Ma on cztery sprzężone ze sobą detektory, co odróżnia go znacznie od pozostałych dwóch istniejących na świecie Titanów. AGH-owski jest wyjątkowy również dlatego, że zastosowano w nim najnowocześniejsze działo elektronowe, czyli źródło elektronów o dużej jasności i bardzo małej rozbieżności energii elektronów. Wiązka jest bardzo silna i bardzo jasna, a jednocześnie niezwykle mała. Wyposażony jest ponadto w korektor aberracji sferycznej soczewek formujących tę wiązkę. Pozwala to tak skorygować wiązkę, aby móc skupić się na maleńkim punkciku koniecznym do analizy mikroskopijnych próbek o rozmiarze rzędu atomów. 

 

To, że w Akademii Górniczo-Hutniczej działa tej klasy mikroskop (drugi Titan jest w ośrodku w austriackim Grazu, a trzeci w Stanach Zjednoczonych) to niezwykle ważna informacja dla przedsiębiorców. - Nasze badania to nie jest tylko taka nauka podstawowa, polegająca na rozwijaniu dziedziny, ale badamy takie materiały, które są gdzieś wykorzystywane. Nasi naukowcy mogą robić ekspertyzy „na zewnątrz"- jeśli będzie takie zapotrzebowanie z przemysłu. Już teraz zresztą są prowadzone badania m.in. we współpracy z przemysłem i nakierowane na potrzeby przemysłu - mówi dr inż. Beata Dubiel.

 

 

Wyniki pracy mikroskopu mogą być wykorzystywane w różnorodnych branżach: elektronicznej, medycznej, ceramicznej, transportowej i wielu innych. Zakup Titan Cubed „to kolejny krok, którego dokonujemy, aby być jedną z najlepszych uczelni w Europie. Chcemy robić badania na najwyższym światowym poziomie i mamy ku temu doskonałą kadrę" - powiedział pod koniec września przy okazji uroczystej prezentacji nowego urządzenia rektor AGH prof. Antoni Tajduś. Mikroskop zakupiono w ramach projektu „Zakup analitycznego transmisyjnego mikroskopu elektronowego z unikalnym oprzyrządowaniem do badań mikro- i nanostruktury materiałów" w ramach Działania 2.1 POIG. 

 

Jak wspomniano na początku, Titan Cubed znajduje się w laboratorium Międzynarodowego Centrum Mikroskopii Elektronowej AGH. Działalność pierwszej Pracowni Mikroskopii Elektronowej na naszej uczelni sięga lat 60. XX wieku. Powołano ją z inicjatywy prof. Stanisława Gorczycy, twórcy i propagatora tej dziedziny w Polsce. Wieloletnia współpraca, zwłaszcza z zakresu badań mikro- i nanostruktur metodami zaawansowanej mikroskopii elektronowej, doprowadziła do utworzenia jednostki badawczej w obecnej postaci. W roku 2010 rektor AGH prof. Antoni Tajduś powołał Międzynarodowe Centrum Mikroskopii Elektronowej dla Inżynierii Materiałowej (IC-EM). Działalność Centrum obejmuje badania związane z zagadnieniami mikroskopii elektronowej w fizyce, chemii, elektronice itp. Zespół Centrum współpracuje z przemysłem europejskim i amerykańskim.

 

Najnowocześniejsza aparatura w IC-EM to także szansa dla studentów i doktorantów, chcących zaistnieć na arenie międzynarodowej. „Dziś bez sprzętu nie da się w branżach technicznych nic zrobić. Tylko wysokiej klasy aparatura umożliwia badania na odpowiednim poziomie i tylko dzięki temu można funkcjonować w świecie" - mówi dziekan Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej prof. Mirosław Karbowniczek.

 

Tekst: Ilona Trębacz, Zdjęcia: Zbigniew Sulima