Фотопутешествие в мир наномасштаба

Профессор химии из Гарвардского университета (Harvard University) Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) – довольно известная личность в своей области. В сотрудничестве с фотографом Фелис Франкель (Felice Frankel) из Массачусетского технологического института (MIT) он выпустил книгу, в которой описал мир микро- и наномасштаба. Это не обязательно сложные концептуальные механизмы, которые действуют только в лабораторных условиях. Миниатюрные элементы так же обязательны для любой вещи, как молекулы или атомы. Их изображения, некоторые из которых опубликованы в Интернете, являются смесью традиционной фотографии, компьютерной графики и различных техник микроскопии.

Это атомная игла, или зонд. Она используется в атомных силовых микроскопах (atomic force microscope, AFM), которые для создания изображения объекта не "смотрят" на него, а описывают форму при помощи взаимодействия зонда с поверхностью через силы притяжения и отталкивания между атомами. Игла является частью кантилевера – конструкции из прямоугольной площадки размером в несколько миллиметров и острия. Одна из её сторон способна отражать свет, что позволяет измерять колебания кантилевера лазером во время работы с образцом. Ширина острия в лабораторных микроскопах – около 1 нм. Снимок иглы сделан сканирующим электронным микроскопом.

"Электронная бумага", выполненная по технологии "электронных чернил" компании E-Ink, используется в устройствах для чтения электронных книг. Расположенный над электродами пластиковый слой содержит микрокапсулы с противоположно заряженными чёрными и белыми частицами. Чтобы пиксель стал чёрным, отрицательный электрод отталкивает чёрное вещество к поверхности капсулы. Белый пигмент "всплывает", если электрод имеет положительный заряд. Простая электроника управляет электродами в соответствии с обрабатываемыми цифровыми данными (например, текстом). В цветных дисплеях каждый пиксель разбит на субпиксели и обычно состоит из трёх капсул и светофильтров.

Поток жидкости в микроканале ведёт себя иначе, чем в макромасштабных системах. На снимке цветные линии показывают окрашенные потоки воды, передвигающиеся от правого верхнего угла в каналах диаметром 200 мкм, что приблизительно соответствует толщине волоса человека. Вместо того, чтобы смешиваться друг с другом в вихри или другие процессы при встрече, эти потоки не сливаются либо делают это очень медленно. Жидкости выходят из каналов (нижний левый угол изображения) параллельно и не взаимодействуя. Эффект известен как ламинарный поток и может наблюдаться в ледниках или даже среди людей, проходящих через узкий коридор, но законы, разумеется, действуют разные. Понимание поведения жидкостей в таких масштабах важно для разработки диагностических устройств наподобие лабораторий на чипе.

Показано поперечное сечение мембраны обратного осмоса, используемой для разделения жидких смесей. При обратном осмосе давление в 1000 раз выше атмосферного заставляет молекулы воды проходить через мембрану, оставляя минералы и ионы с другой стороны. Мембрана имеет комплексную внутреннюю структуру со множеством пор различных размеров, позволяющих выдержать высокое давление. Такой тип материала применяется в процессе опреснения и очистки воды, а также в аппаратах для диализа. Однако создание давления требует энергии и денег, поэтому всё чаще мембраны заменяются альтернативами, включающими ячейки с поглощающими соль микробами и блокирующие ионы нанотрубки.

Поверхность фотоэлектрической солнечной ячейки. Эти устройства конвертируют энергию фотонов света в электрическую благодаря фотоэлектрическому эффекту. Изображённый экземпляр основан на пластине из кристаллического кремния. Поглощаемый свет создаёт заряды, которые собираются проводниками из серебра (светлая вертикальная полоса). Ячейка покрыта нитридом кремния, который служит "антибликовым фильтром" и предотвращает отражение света, а заодно придаёт характерные синий и фиолетовый цвета. Учёные работают над тем, чтобы в будущем вместо размещения солнечных панелей на крышах домов поверхности покрывали специальной краской, выполняющей роль фотоэлектрического преобразователя.

Даже самые фанатичные поклонники творчества легендарной группы Beatles не смогут распознать её музыку на этом изображении. Показана часть виниловой копии альбома Revolver, а точнее – композиции Eleanor Rigby. Снимок сделан микроскопом Номарски, в котором используются различия в преломляющих характеристиках образца для установления его формы.

Данный снимок "шахматной доски" не относится к книге Уайтсайдса, но изображения подобного характера вызывают интерес к познанию невидимого мира. Шахматы почти в тысячу раз тоньше волоса человека. Увеличение – 17000х.

Объект в представлении не нуждается. Размер наноунитаза – несколько сотен нанометров. Такахаши Които (Takahashi Kaito) из SII Nanotechnology сделал снимок с увеличением 15000х.

"Рука с указующим перстом" была выращена Михаилом Кройтору (Mihail Croitoru) из Университета Тубингена (Tübingen University) при помощи процесса разложения молекул газа с последующим размещением элементов на поверхности. Инструментом выступал сканирующий электронный микроскоп, который генерирует подходящий электронный луч. Увеличение – 50000х.