Заточенные карандаши, горящий магний и дендриты серебра

Восемь лет назад я работал в N + 1, занимаясь химией и физикой, а теперь преподаю эти дисциплины в «Летово» школьникам. Недавно мне представилась возможность осуществить давнюю идею — создать собственную галерею фотографий с использованием электронного микроскопа: в школе по счастливой случайности появился простой СЭМ. Как специалист в области материаловедения, я организовал небольшой кружок, где мы с учениками проводили научные проекты и активно использовали микроскоп. Об этом сообщает портал N + 1.

Получив полный карт-бланш, мы отправляли под электронный пучок все, что попадалось под руку — от сельдерея до старых процессоров Intel.

Одним из первых снимков на новом микроскопе стал глаз мухи — классика для микрофотографии. Мы сняли фасетки, но гораздо интереснее оказался побочный эффект этой съемки.

Электронный микроскоп постоянно обрабатывает поверхность образца сфокусированным пучком электронов. Перемещая пучок между точками образца и подсчитывая количество вылетающих электронов, микроскоп формирует изображение — цвет каждой точки определяется числом вылетевших из нее электронов.

Однако электроны — отрицательно заряженные частицы. Если из образца вылетает меньше электронов, чем прилетело в пучке, на нем начинает накапливаться отрицательный заряд. Одноименные заряды отталкиваются, и в какой-то момент мушиный глаз зарядился настолько, что начал отражать электронный пучок. Так глаз мухи неожиданно стал электронным зеркалом — и, конечно, мы сделали микроскопу селфи. На этом искривленном изображении видны все главные элементы прибора: фокусирующая пучок электронная колонна, детекторы обратно отраженных и вторичных электронов, столик для образцов и камера микроскопа.

Мы также разработали проект, который проще всего описать вопросом: «Насколько остро можно заточить карандаш?»

Закупив сотни стержней для автоматических карандашей, мы начали их затачивать — вручную с помощью наждачной бумаги и электрохимически, растворяя графит в крепком растворе щелочи под действием электрического тока.

Карандашный стержень — это композит из графитовых чешуек и полимерной матрицы, поэтому под микроскопом результат заточки далек от идеально острого. Тем не менее, нам удалось добиться микронной остроты методом анодного растворения, а если учитывать отдельные графитовые чешуйки на самом острие — то и субмикронной.

Ради чего все это? Ради науки, разумеется. К тому же такие сверхтонкие карандашные иглы можно использовать для сканирующей туннельной микроскопии — не рисовать же ими.

Микроскоп помог нам разобраться и с другим интересным явлением — горением магния. Металлическая стружка очень ярко вспыхивает в огне газовой горелки. Во время этого процесса слышен высокочастотный звук — словами его трудно описать. На фотографии видно, что частички магния летят по спиральным траекториям, а не гладкими дугами, как можно было бы ожидать.

Сравнивая снимки магниевой стружки и продуктов ее сгорания, мы предложили следующее объяснение. При горении магний быстро расплавляется, превращаясь в шарики диаметром в десятки микрон. Они почти сразу покрываются оболочкой из тугоплавкого оксида магния. Внутри жидкий металл разогревается до температуры кипения и через трещину в оболочке формирует реактивную струю — она и раскручивает частицы до тысячи оборотов в секунду.

Пока это лишь гипотеза, но она согласуется с исследованием горения магния в углекислом газе, опубликованным в журнале Acta Astronautica. Эта работа была опубликована в издании про астронавтику из-за того, что магний рассматривают как перспективное топливо для Марса, атмосфера которого состоит преимущественно из CO2.

Для одной из лабораторных работ нам было полезно оценить размер частиц цинка в порошке. Мы используем его, чтобы показать, как большая площадь поверхности ускоряет реакцию: крупная гранула цинка в соляной кислоте лениво пускает пузырьки водорода, а цинковый порошок бурлит так, будто кислота кипит. На фотографии видно, что порошок металла не имеет огранки и состоит из капелек неправильной формы диаметром от 1 до 100 микрон. Это значит, что при получении порошка цинк сначала расплавляют, а затем распыляют или испаряют и быстро охлаждают.

Еще один снимок появился из материала для демонстрации на уроках химии — это серебро. Его используют для реакции замещения, в которых более активный металл вытесняет из соли менее активный металл. Например, металлическая медь может вытеснять серебро из нитрата серебра. При этом на меди растут красивые кристаллы.

Химикам было жалко выбрасывать серебро, поэтому они складывали его в баночку. Так в лаборатории накопилось несколько грамм серебра, и мы решили взглянуть на дендриты под микроскопом. Оказалось, что веточки серебряных «елочек» выглядят кристаллическими, а их размеры могут сильно различаться — это зависит как минимум от концентрации исходного нитрата серебра.

Смотреть в электронный микроскоп на металлы можно очень долго — хотя бы потому, что они не накапливают заряд, а заземляются через алюминиевый предметный столик. Например, красиво выглядит ржавчина на металлической губке, которой пару лет пользовались лаборанты.

Одним из приятных моментов, связанных со сканирующей электронной микроскопией, является отсутствие принципиального ограничения на разрешение картинки. Даже микроскоп 20-летней давности способен выдать изображение в разрешении 8К. Все определяется только числом точек, которое вы выберете для растрирования каждой линии при формировании изображения, и терпением: чем больше точек, тем больше времени уйдет на съемку одного кадра.

Кадр выше — порошок пигмента, светящегося в темноте (это называется фосфоресценция). Если верить продавцу, то это один из алюминатов стронция, например, SrAl2O4:Dy, Eu. Какой именно — без рентгеновской порошковой дифракции не разберешься. Зато какие красивые зерна, даже огранка намечается.

Но если с разрешением картинки все настолько хорошо, закономерно возникает другой вопрос: а насколько мелкие объекты вообще можно разглядеть? Тут все не так однозначно — многое зависит от катода в микроскопе (у нас обычный вольфрамовый термоэмиссионный), качества электромагнитной системы линз и прямоты рук оператора. Но еще нужен и подходящий образец.

В какой-то момент школьники принесли на занятия два старых процессора Intel: один из них — i3-4170, другой — еще более старый, эпохи 65-нанометрового техпроцесса. Конечно, чтобы добраться до иерархических слоев медных контактов, соединяющих логику процессора, чипы пришлось уничтожить: отпаять, отколоть, отшлифовать наждачкой. Но снимки того стоили — некоторые изображения похожи на узоры на коврах.

Из биологических объектов неожиданно красивыми оказались колонии дрожжей, выросшие под ультрафиолетом. Эти образцы подготовил коллега с Факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Данила Третьяков, который также работает у нас в школе. Из-за излучения колонии дрожжей формируют столбики, на вершине которых живых организмов уже нет — вся жизнь кипит у основания. Каждый шарик на фотографии — отдельный организм.

Еще один интересный проект, который все еще в разработке, — исследование мшанок, привезенных из Белого моря и с глубин Тихого океана (зона Кларион — Клиппертон). Десятиклассник Платон Шаранов, взявшийся за описание морфологии скелетов этих животных, провел за микроскопом десятки часов. На снимках — примеры того, как выглядят фрагменты стенок их колоний. Преимущественно они состоят из карбоната кальция, принимающего самые разные формы — от неправильных слоев, формирующих фронт нарастания, до аккуратных пластинок с ребрами под 120 градусов — кристаллитов карбоната кальция.

Впереди очередной учебный год, список новых образцов и проектов ограничен только фантазией и, немного, здравым смыслом. Так что микроскоп без дела стоять не будет.