Oktoobri esimesel päeval avati Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis pidulikult unikaalne ja väga kallis, 13 miljonit krooni maksev seade - skaneeriv elektronioonmikroskoop Helios NanoLab 600.
Elektronmikroskoobid on olnud teadlaste käsutuses juba üle 70 aasta ning nende panust mikro- ja nanostruktuuride uurimisse on raske üle hinnata. Materjali pinda on elektronmikroskoopia abil lihtne vaadelda, aga alati on jäänud varju selle sisemine struktuur. Läbivalgustavate elektronmikroskoopidega (ingl transmission electron microscope) on muidugi võimalik seda vaadelda, aga objekti ettevalmistus on sel juhul aeganõudev ja keeruline ning tulemus ebatäpne. Samas on sisestruktuuri väljaselgitamine oluline, sest suur osa materjale on kihilise ehitusega ning nende ristlõike uurimine annab oluliselt rohkem infot kui pinna sondeerimine.
Kahe kiire koostöö
Ülihead võimalust mingi materjali sisemusse kaeda pakub skaneeriv elektronioonmikroskoop (ingl focussed ion beam-scanning electron microscope, FIB-SEM). Seadmes kasutatakse kaht laetud osakeste kiirt, elektronide ja tavaliselt galliumioonide voogu. Need juhitakse ülitäpselt uuritava aine pinna ühte ja samasse punkti ning kasutatakse ära nende sobivad omadused vastavalt sellele, millist operatsiooni parajasti on vaja teha.
Niisugune kombineerimine laiendab oluliselt eeskätt sisemiste struktuuride uurimise, samuti uute pinnastruktuuride tekitamise ja nendega manipuleerimise võimalusi. Elektronid annavad uuritavast objektist kujutise, samal ajal kui ioonidega söövitatakse pinda või sadestatakse sinna väikeste gaasikoguste abil soovitud materjale. Seda kõike saab teha väga täpselt: pildi lahutuseks on 1-2 miljondikku millimeetrit ehk 1 nanomeeter, struktuuride täpsus sõltuvalt ainest on aga kuni mõnikümmend nanomeetrit.
Midagi revolutsioonilist elektronioonmikroskoobis iseenesest ei ole, aga uus kvaliteet (ja kvantiteet) tekib just sünergiast ehk olemasolevate meetodite kavalast kombineerimisest. Arvatavasti seisneb seadme suurim väärtus just võimaluses teha mikroskoopilisi ristlõikeid väga täpselt kõige huvitavamatest materjale iseloomustavatest kohtadest.
KUMU paneelmaja vastu
Põhimõtteliselt viiksid ka traditsioonilised meetodid piisava statistika korral sihile, aga keeruka objekti puhul oleks see kindlasti ülimalt raske. Kui Nõukogude-aegsest paneelmajast annab kümmekond juhuslikku ristlõiget juba päris hea ettekujutuse, siis katsuge näiteks KUMUst samamoodi mingitki pilti saada, eriti veel, kui te ei tea, millisest kohast ristlõige on tehtud. Palju tõhusam ja tõenäoliselt edukam meetod on valida karakteersed kohad ja teha sealt ristlõiked. Kahjuks - või tegelikult siiski õnneks! - on suurem osa mikromaailmast rohkem KUMU kui paneelmaja.
Kahepoolne rõõm
On meeldiv nentida, et Eesti mikro- ja nanomaailma uurijad on nüüd saanud endale elektronioonmikroskoobi. Nimelt on Euroopa Liidu struktuuritoetuste kaasabil Tartu Ülikoolis arendatava materjaliteaduse ja -tehnoloogia infrastruktuuri kaasajastamise programmi raames soetatud tipptasemel ja Baltikumis unikaalne FIB-SEM seade Helios NanoLab 600 (FEI, USA) ehk siis rahvapärasemalt skaneeriv elektronioonmikroskoop. Materjaliteadlaste, füüsikute ja keemikute kõrval plaanivad uut seadet oma uurimistöös kasutada ka paljud teised uurimisgrupid, eeskätt Tartu Ülikooli loodus- ja tehnoloogiateaduskonnast, Tallinna Tehnikaülikoolist, Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskusest ja mujalt. Eriti tervitatav on, et seadme võimalustega on püüdnud end kurssi viia mitmed ettevõtted. Peabki rõhutama, et seade on väga universaalne ja sobib ühtviisi nii tipptasemel teadustööks kui ka ettevõtluse tarbeks tehtavateks rakendusuuringuteks. Tartu Ülikooli Füüsika Instituuti üles seatud elektronioonmikroskoop leiabki kasutamist enam-vähem võrdselt mõlemal suunal. Seadmest on abi nii esialgu tehnoloogiast veel väga kaugel oleva grafeeni uurimisel (vt rubriiki „Üksainus küsimus") kui ka palju „elulisemate" päikesepatareide ja kütuseelementide valdkonnas.
Nanotehnoloogiate Arenduskeskus
Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskus (NanoTAK) saab nüüd niisiis ka ettevõtlusele olulistes tehnoloogiauuringutes kasutada maailmatasemel uurimisaparatuuri.
Näiteks arendatakse keskuses elektro-optiliste klaaside tehnoloogiaid. Materjal koosneb teatud maatriksisse (kasutame sool-geel materjale, aga sobivad ka mõned polümeerid jm) kapseldatud vedelkristalli tilkadest, milles olevad molekulid muudavad elektrivälja mõjul oma orientatsiooni ja efektiivset murdumisnäitajat. Klaasi pinnale kantava maatriks-vedelkristall kile otstarve sõltub lisaks valitud materjalidele väga palju ka tilkade suurusest, kujust ja ruumilisest jaotusest, mis omakorda on sõltuvuses valmistamisparameetritest. Tegemist on keerulise kombinatsiooniga kümnetest parameetritest, mistõttu „musta kasti" strateegia ehk uurimine, kuidas konkreetne sisendparameeter mõjutab lõpptulemust, on ülimalt ebaefektiivne, kallis ega pruugi viia maksimaalse tulemuseni. Antud projektis uuritakse elektronioonmikroskoobiga tilkade parameetreid ning lisaks ka tilga vahetus läheduses oleva maatriksi keemilist kompositsiooni, et teha kindlaks, millises ulatuses tungivad vedelkristalli osakesed maatriksisse. Viimane on oluline, sest mõjutab valguskiire murdumist piirpinnal ehk kile funktsionaalsust.
Praegu on ettevõtjad huvitatud sellise kile kandmisest mitmesuguste klaastoodete, näiteks dekoratiivklaaside, peeglite, aga ka aknaklaasi pinnale, mida seejärel saab nupuvajutusega läbipaistvaks või läbipaistmatuks muuta. Pikemas plaanis on aga mitmete teistegi tarbimisvõimaluse uurimine.
Nanotorudest fiibrid
Süsinik-nanotorude suurepärastest omadustest on palju juttu olnud. Need on tugevad, vastavalt vajadusele metallilised, pooljuhid või isolaatorid, ning keemiliselt suhteliselt inertsed, aga siiski muudetavad vajadustele sobivalt. Nanotehnoloogiate Arenduskeskuse üks eesmärk on tuua mõned neist nanomaailmast makromaailma - näiteks välja töötada tehnoloogia süsinik-nanotorudest fiibrite valmistamiseks. Arusaadavalt sõltuvad fiibri omadused suuresti sellest, kuidas on nanotorud fiibri sisemuses omavahel seotud. Siinkohal on jällegi palju abi elektronioonmikroskoobist.
Joonisel .... on toodud kaks „ekstreemset" näidet nanotorufiibritest, mis palja silmaga ja optilises mikroskoobis näevad välja täiesti ühtmoodi. Samas võib juhtuda, et rakendust leitakse mõlemale. „Siledad" fiibrid on tugevad, nende tõmbetugevus ulatub terase tugevuseni, ja arvatavalt on võimalik seda veel kuni kaks suurusjärku parandada. Nanotehnoloogiate Arenduskeskuses proovitakse tehnoloogiat rakendada tekstiilimaailmas. „Krässus" fiibritel on aga väga väike tihedus ja suur eripind. Neid püütakse rakendada teatavates uut tüüpi biosensorites.
*
Skaneeriva elektronioonmikroskoobi kasutuselevõtt on suur samm edasi nanoteaduse ja -tehnoloogia arengus ning avab lugematul arvul uusi võimalusi paljudes valdkondades. Veelgi üldisemalt rääkides arendatakse nii Tartus kui ka Tallinnas mitmeid huvitavaid nanouuringutega seotud infrastruktuuri projekte, nagu näiteks Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi uus juurdeehitus koos NanoLabiga. Viimase valmides võib julgelt öelda, et teadus- ja arendustegevuseks on loodud väga head tingimused ning edasine on juba teadlaste kätes.
ILMAR KINK (1970) on lõpetanud Treffneri Gümnaasiumi 1988 ja kaitsnud Tartu Ülikooli füüsika osakonnas magistrikraadi 1994. Aastatel 1994-1999 õppis Rootsis Lundi Ülikoolis aatomifüüsikat ja oli pärast seda 2002. aastani Ameerika Ühendriikide Riiklikus Standardite ja Tehnoloogia Instituudis (National Institute of Standards and Technology) aatomifüüsika erialal järeldoktorantuuris. 2002. aastast on olnud seotud Tartu Ülikooli Füüsika Instituudiga ja tegelenud juba pikemat aega nanotehnoloogiate arendamisega. 2005. aastast juhib Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskust.
