Predpona nano- pochádza z gréckeho slova νᾶνος (nânos), ktoré znamená trpaslík. Označujeme ňou jednu miliardtinu. Nanoveda skúma štruktúry s veľkosťou zhruba jednej miliardtiny metra. Vlastnosti takýchto nanoštruktúr sa zásadne líšia od vlastností objektov s ktorými sa stretávame vo všednom živote.
V makrosvete, na ktorý sme zvyknutí, sa prejavujú najmä vlastnosti klasickej fyziky. Vo svete, ktorým sa zaoberá nanoveda, však prevládajú neintuitívne zákony kvantovej fyziky. Nanoštruktúry sú samozrejme bežnou súčasťou prírody,napríklad molekula DNA je hrubá asi dva nanometre, populárne uhlíkové nanorúrky, ktoré sú vlastne stočený grafén, sa vyskytujú aj vo výfukových plynoch. Avšak na to, aby sme mohli takéto objekty študovať priamo, naše zmysly nestačia. Dokonca nám nepomôžu ani optické mikroskopy, ktoré kvôli difrakčnému limitu nedokážu rozlíšiť štruktúry menšie ako ca. 200 nm. Nanoveda teda vyžaduje sofistikované experimentálne prístroje.
Z tohto hľadiska bol pre nanovedu prelomový rok 1981, keď vo švajčiarskom laboratóriu firmy IBM zostrojili prvý Skenovací Tunelový Mikroskop (STM). Pomocou tohto prístroja je možné nielen rutinne zobrazovať jednotlivé atómy, ale dokonca ich aj cielene premiestňovať. Preto niet divu, že za tento objav bola udelená Nobelova cena za iba päť rokov jeho existencie. Princíp STM je fundamentálne odlišný od obyčajného mikroskopu. STM využíva sondu, zväčša ostrú kovovú ihlu, ktorej poloha sa precízne mení pomocou piezoelektrických prevodníkov. Sonda tak putuje po povrchu skúmaného materiálu a v každom bode svojej trasy meria tzv. tunelový prúd. Keď je sonda k povrchu bližšie, hodnota prúdu je vyššia a naopak. Ak na počítači následne vykreslíme hodnoty tohto prúdu v každom bode skúmaného povrchu, dostaneme topografickú mapu s atómovým rozlíšením. Netrvalo však dlho a vedci si uvedomili, že okrem tunelového prúdu môžu pomocou iných sond obdobným spôsobom mapovať aj iné lokálne interakcie, ako napr. van der Waalsove, magnetické, elektrostatické a mnohé ďalšie. Vznikla tak celá plejáda mikroskopov a im prislúchajúcich metód, ktoré súhrnne nazývame skenovacie sondové mikroskopie. Tieto mikroskopie nám slúžia ako vstupná brána do sveta nanovedy, sveta kvantových javov.
V košických laboratóriách Centra fyziky veľmi nízkych teplôt máme niekoľko takýchto skenovacích sondových mikroskopov. Využívame ich najmä na výskum elektrónových a magnetických vlastností nanoštruktúr. Nosnou výskumnou oblasťou centra je už desaťročia supravodivosť. Je to rýdzo kvantový jav, rovnako ako tunelový prúd, ktorý využíva STM. Je teda zrejmé, že výskum supravodivých nanoštruktúr pomocou STM, ktorým sa intenzívne zaoberáme, nám pomôže odhaliť mnohé tajomstvá sveta kvantovej fyziky.
Autor: Mgr. Tomáš Samuely, PhD., Ústav fyzikálnych vied PF UPJŠ v Košiciach
Foto: autor
Uverejnila: ZVČ
Chcete sa o Nanovede, ktorá hýbe svetom dozvedieť viac?
Príďte na prednášku o téme, ktorá sa uskutoční dňa 20. septembra o 15.30 hod. na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach.
Viac informácií o prednáške konajúcej sa v rámci sprievodných podujatí Európskej noci výskumníkov 2016, nájdete v súvisiacich podujatiach.