Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Pozsgai Imre
Richter Gedeon Rt.
Az embert különös érzések fogják el, amikor a földi méretekhez képest nagy távolságokat, tíz vagy százmillió kilométereket, vagy amikor éppen az ellenkező végletet, a mikrovilág nanométereit próbálja maga elé képzelni. Hát még ha a nagyon nagy és a nagyon kis méretek egyetlen kérdéskörön belül fordulnak elő. Ilyen például az, amikor az ember a Marson, sok millió kilométer távolságra a Földtől, nanométeres távolságokat akar mérni atomerő-mikroszkóp segítségével.
Az atomerő-mikroszkóp a tűsugaras mikroszkópok családjának második tagja (1986; az első a pásztázó alagút mikroszkóp, 1981) rendkívül érzékeny műszer és nagymértékben kell a környezet rezgéseitől függetleníteni, hogy működőképességét biztosíthassuk. Ezért nehéz elképzelni, hogy atomerő-mikroszkóp a Földön kívül, mostoha űrbéli körülmények között működjön.
Az alábbiakban Mars-missziók, majd az atomerő-mikroszkóp (AFM) rövid ismertetése után arról szeretnék írni, hogy mi indokolta AFM bevonását a Mars-kutatásba, milyen műszaki megoldásokra volt szükség az űrbéli körülményeket elviselő AFM kifejlesztéséhez.
A Mars iránt az ember régóta érdeklődik, és ez az érdeklődés az alapja, hogy 2030-2040 között szeretné megvetni lábát a Marson. [1-3, 6-8]
A Mars Földhöz viszonyított legkisebb távolsága körülbelül 60-100 millió km között változik a következő évtizedben, és a kedvező útra kelési időpontok 780 naponként következnek be (ennyi a Mars szinodikus periódusa). A 4-6 hónapig tartó odaút és a Marson tartózkodás együttes optimális ideje ez a bizonyos 780 nap. Ehhez hozzászámolva a visszafelé utat, csaknem három esztendő adódik, hacsak újabb meghajtási technikát (pl. plazmasugárhajtást) nem sikerül kifejleszteni. Addig viszont rengeteg információt kell beszerezni ahhoz, hogy egy ilyen vállalkozás ne valljon kudarcot, márpedig a Mars-missziók között feltűnően sok volt a kudarc.
A Marssal kapcsolatos csillagászati mérések a 19. század elejére nyúlnak vissza, de az ismeretek akkor kezdtek igazán gyarapodni, amikor a Mars mellett elhaladó (Mariner 4, 1965-ben), a körülötte keringő (Mariner 9, 1971-1972) vagy éppen a Marsra leszálló űrszondák (Viking 1 és Viking 2, 1976-ban, Pathfinder 1997-ben) berendezései ontották a mérési eredményeket.
2008 végén a Mars körül három űrszonda kering: a Mars Odyssey, a Mars Express és a Mars Reconnaissance Orbiter; felszínén két Mars-járó működik, a Spirit és az Opportunity, valamint egy álló egység, a Phoenix.
A Mars felszínén mért alacsony hőmérsékletek ismeretében várható, hogy folyékony víz nincs, és ha nincs, akkor a tudomány mai állása szerint élet sincs. A "lehetetlenségre" egy példa a közelmúltból: olyan mikroorganizmust találtak az amerikai Yellowstone Nemzeti Park savas iszapjában, amely optimális életkörülményeit a 80 Celsius-fokos "savfürdőben" találja meg. A Mars Asztrobiológia Kutatócsoport létezése is azt mutatja, hogy komoly érdeklődés van a Marson elképzelt élet iránt. Létezhetnek a Marson olyan baktériumok, amelyek extrém hőmérsékleteket is elviselnek, vagy olyanok, amelyek nagyon hosszú ideig inaktív állapotban maradnak [4, 9]. Ezért, ha egyszer létezett folyékony víz a Marson (márpedig erre közvetett bizonyítékok vannak), akkor élő szervezetek megőrződhettek.
Nemcsak a mikroorganizmusok, de a Mars talaja, a felszínén lévő por is befolyásolhatja az ember tartózkodását a Marson. A por szemcsemérete például a szilikózis szempontjából fontos, ugyanis a 4 µm-nél kisebb szemcsék jutnak le a legnagyobb eséllyel mélyen a tüdőbe. A porok keménységét pedig a mérőműszerek és az űrruha tervezésekor kell ismerni. A Phoenix-missziót megelőzően is volt már közvetett bizonyíték a víz-jég létezésére: a NASA szerint annyi jég van a Mars két sarkvidékén, hogy felolvadása esetén 11 méter mélységű víz borítaná a bolygó felszínét.
A Mars felszínén lévő porviharokról, továbbá a por szemcseméretéről is van rengeteg közvetett adat. Az 1. ábrán látható termoemissziós spektrumokat a Mars körül keringő Global Surveyor fedélzetén lévő spektrométer vette fel 1997-ben. A mérési eredményeket az ábrán kiegészítik a feketetestspektrumok is, amelyek bár közelítések (minthogy a Mars nem tekinthető tökéletes feketetestnek), mégis sok következtetést lehet levonni belőlük. A hőmérséklet az éjszakai 160 K-ről (-113 °C) délutánra 257 K-re (-16 °C) emelkedik. A légkör viszonylag sok szén-dioxidot tartalmaz, ezt jelzi a 15 ?m körüli erős abszorpció, de a légkörben lévő víz-jég és por hatása is detektálható volt.
Az 1. ábrán lévő spektrumokat elméletileg modellezni lehet, ebből meg lehetne állapítani a por kémiai összetételét. Sajnálatos módon túl sok feltételezést kell tenni a modellben az összetétel meghatározásához az egyes poralkotók szemcseméretére, alakjára, 2. ábra. A Phoenix mikroszkópos egysége felületi simaságára, szemcseméret-eloszlására, optikai tulajdonságára (a törésmutató valós és képzetes részére), így nem jutottak elfogadható eredményre. Az 1971-72-es porvihar magyarázatára egy sor anyagot (pl. kvarc, bazalt, andezit, obszidián, gránit stb.), illetve ezek kombinációját tételezték fel a por alkotójaként, mégsem kaptak kielégítő egyezést. Viszont eredménynek tudható be, hogy tíznél több Mars-misszió közvetett méréseinek kiértékelésekor a porszemcsék effektív méretére mindig 2 µm-nél kisebb értéket kaptak.
A fentiek alapján érthető, hogy miért fontos a Mars felszínét fedő finom por tulajdonságainak (méret, méreteloszlás, keménység stb.) pontos ismerete, és miért terveztek közvetlen mikroszkópos méréseket a bolygó felszínén a Phoenix-misszió során.
A Phoenix Mars-szonda 2007. augusztus 4-én indult és 295 napos utazás után 2008. május 25-én szállt le a Marsra. Az Arizonai Egyetem vezetése alatt álló projekt széles együttműködés eredményeként jött létre, amelynek résztvevői az Amerikai Űrhajózási Hivatal (NASA), a NASA Jet Propulsion Laboratory (a California Institute of Technology-ban), a Lockheed Martin Space System és még sokan mások, közülük említsük meg a Neuchâteli Egyetem, a Baseli Egyetem és a Nanosurf A.G. alkotta svájci konzorciumot, amely a cikk címében szereplő atomerő-mikroszkópot létrehozta.
A Phoenix-küldetés célja volt víz-jég jelenlétét kimutatni a felszín alatt, és megvizsgálni a talaj összetételét, hogy alkalmas-e az élet fenntartására.
A leszálló egység berendezései közé tartozik - többek között - egy ásóval ellátott robotkar és két tudományos egység: a TEGA (termikus gáz analizátor) és a MECA. Az előbbi a marsi mintákat felmelegítő kályhákat és tömegspektrométert tartalmaz, az utóbbi pedig mikroszkópos (M), elektrokémiai (E) és konduktivitási (C) analíziseket (A) végez a talajmintákon.
A sajtóban nagy visszhangot kapott, hogy a Phoenix-misszió során sikerült közvetlenül vizet kimutatni a Mars felszínén talált jégből. A küldetésben résztvevő AFM-ről kevesebb szó esett, pedig mint látni fogjuk, igencsak nagy műszaki teljesítmény volt. A néhány nanométer felbontásra képes berendezés gyufásdoboz méretű, és a meghajtó elektronika nélkül 15 grammot nyom. Ez a kis méret jelentős, ha figyelembe vesszük, hogy minden egyes Marsra küldött kilogramm 1 millió dollárba kerül. A Phoenix atomerő-mikroszkópja nem az első a világűrben, mert az Európai Űrügynökség (ESA) 2004-ben felbocsátott Rosetta űrszondáján már helyet kapott egy MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) elnevezésű atomerő-mikroszkóp.
Mi ebben a cikkben főként a Phoenix mikroszkópos egységére, azon belül is az atomerő-mikroszkópra összpontosítjuk figyelmünket (2. ábra).
Az optikai mikroszkópban keletkező képet CCD-kamerával detektálták. Az optikai mikroszkóphoz képest kisméretű atomerő-mikroszkóp néhány nanométeres felbontásával jelentősen kiszélesíti a még mérhető szemcsék tartományát a fénymikroszkóppal összevetve. A mintákat a mintaváltó tárcsa vitte a vizsgálatra alkalmas pozícióba. Mielőtt a képen látható atomerő-mikroszkóppal megismerkednénk, vessünk egy pillantást a földi körülmények között működő atomerő-mikroszkópra, amelynek megtervezésekor és kivitelezésekor távolról sem kellett olyan szigorú követelményeknek eleget tenni, mint az űrbéli változatnak.
Az atomerő-mikroszkóp (AFM) működését sematikusan a 3. ábrán láthatjuk.
A vizsgálandó minta fölött egy rugalmas tartón, nevezzük szondakarnak, található egy tű, amely alatt a vizsgálandó minta vízszintes síkban pásztázó mozgást végez. A pásztázás módja olyan, hogy egy pontban való információgyűjtés után az asztal a következő pontba lép, majd a sor végén általában visszamegy az adott soron, mielőtt átlép a következő sorba. Az érzékelő tű, vagy ahogy az ábrán nevezzük, tűszonda, kölcsönhatásba kerül a minta felszínével és rá vonzó vagy taszító erők hatnak attól függően, hogy milyen távol van a minta felszínétől (3.b ábra). Ezáltal a mintafelület topográfiája leképezhető. A szondakar lehajlását a Hooke-törvény írja le. Meg kell jegyezni, hogy a 3.b ábran feltüntetett van der Waals-erőket csak egy lehetséges kölcsönhatásnak szabad tekintenünk, amely most a megértés elősegítésére szolgál. Sok egyéb kölcsönhatási forma létezik, például mágneses, kapilláris, elektrosztatikus stb. erők, amelyek mérése az atomerő-mikroszkópia egy-egy külön ágát képezik.
A szondakar mintához viszonyított magasságát a visszacsatoló körrel lehet szabályozni. Amikor a tűszonda a minta felszínét éri (3.c ábra), akkor a taszítóerőket használjuk a felület egyenetlenségeinek leírására. Puha mintafelületek esetén ez az üzemmód a minta megkarcolását vonhatja maga után, szerencsére a vonzó erők tartományában is ("B" és "C" tartomány az ábrán) lehet működtetni a mikroszkópot. Ilyenkor a szondakart a sajátfrekvenciájának megfelelő rezgésbe hozzák és a vizsgált felület a szondakar rezgésének amplitúdóját vagy a frekvenciáját változtatja meg, ez szolgál a mérés vagy képalkotás alapjául. Alapesetben a szondakar lehajlását mérik; a 3.d és 3.e ábrán a két leggyakrabban alkalmazott detektálást láthatjuk: a lézersugárzást érzékelő fotodiódát, illetve a szondakarban ébredő mechanikai feszültség piezoelektromos detektálását.
Nem kézenfekvő, hogy a leírtak a valóságban is működnek: az 1970-es években a műszaki feltételek hiányoztak ahhoz, hogy mindezt kivitelezni lehessen [5].
A felbontóképességet az AFM-gyártók számszerűen nem szokták megadni, mert azt a minta síkjában a tűszonda mérete és a felület tulajdonságai együttesen határozzák meg. Minél kisebb a szonda lekerekítési sugara, annál jobb felbontás érhető el. Ha még azt is hozzávesszük, hogy olyan tűszonda, amely egyetlen atomban végződik, nem számít kuriózumnak, akkor bizony nanométernél kisebb felbontásra számíthatunk. A minta felületére merőleges irányban meg szokták adni, hogy a pásztázó mechanika mekkorára korlátozza a felbontást, és ez általában 0,05 nm. A kristályrács atomjai megjeleníthetők, ha az atomerő-mikroszkópot ultravákuum-körülmények között alkalmazzák. Lényeges, hogy a tűsugárral működő mikroszkópoknál nincs lencse, és ennek következtében nincsenek lencsehibák. Ugyanakkor nem kellő vékonyságú tű használata műtermékek képződéséhez vezethet.
Általánosságban elmondható, hogy AFM felbontóképessége körülbelül ezerszer jobb, mint a fénymikroszkópé, és ha ez utóbbit 200 nm-nek vesszük, akkor az AFM felbontóképessége a minta síkjában 0,2 nm. A minta felületére merőleges irányban jobb, körülbelül 0,05 nm.
Az atomerő-mikroszkóp erőmérő üzemmódban is működtethető, 10-12 newton erőt meg lehet mérni, és például a biológusok számára rutin feladatnak számít annak az erőhatásnak kimérése atomerő-mikroszkóppal, amely egy összecsavarodott DNS molekula kiegyenesítéséhez szükséges.
Az itt ismertetendő AFM különlegességét [10] az űrutazás által szabott kemény követelmények jelentik. Emiatt nem is lehetett olyan tökéletes, mint földi "testvére". A mechanikai igénybevétel, a rázkódás különösen erős a kilövés és landolás idején. A hőmérséklet akár -120 °C is lehet, és a nyomás erősen eltér a földi viszonyoktól. A Mars légköri nyomása 7 mbar, ami miatt az elektromos kisülések könnyebben bekövetkezhetnek az elektronikában, mint a Földön. A következő veszélyt a kozmikus sugárzás hordozza magában, amely meglehetősen kemény és veszélyesebb az elektronikára, mint az alfa- és béta-sugarak. Még tovább lehetne sorolni a veszélyforrásokat, de inkább említsünk egy másik erősen korlátozó tényezőt, a pénzt. A pénz határozza meg, hogy mekkora tömeget és mekkora térfogatot küldhetnek fel, mert a költségek e kettővel arányosak, ezért mindkettőnek a lehető legkisebbnek kell lennie.
Ha visszatekintünk a 3.a ábrára, akkor a mintamozgató egységen kívül az összes többit szilíciumlapkára, pontosabban szigetelőanyagon lévő szilíciumlapkára integrálták. A 3.d és 3.e ábrákon látható lehetőségek közül nem a lézersugaras, hanem a piezoelektromos detektálást valósították meg, mert energiaigénye kisebb, mint a lézeres változatnak, és behangolása sem olyan kritikus. A piezoelektromos ellenállást bór implantálással készítették a szondakaron. Az AFM-chipet a 4. ábra mutatja.
A részletek mellőzésével azt mondhatjuk, hogy a mikroelektronikában ismeretes gyártási lépéseket, fotolitográfiát, oxidmaratást, ionimplantálást, foszforszilikát üveg felvitelét, kémiai rétegleválasztást (CVD) stb. használtak arra, hogy a szondakar, a tűszonda és a szükséges elektronika monolitikusan létrejöjjön egy n-típusú szilícium-szilíciumoxid lapon.
A mintamozgató egységet (3.a ábra alsó része) földi körülmények között piezoelektromos kerámiahengerrel valósítják meg. A meghajtásához mintegy 100 V feszültségre van szüksége, viszont a marsi 7 mbar szén-dioxid atmoszférában már 50 V is átütne. Ezért olyan mágneses mintamozgatást terveztek, amely 12 V-tal működik. Ez az egység foglal helyet az AFM-chip alatti sötét dobozban az 5. ábrán.
A 6. ábra a Marsról küldött első atomerő-mikroszkópos képet mutatja, amely egy kalibrációs kép, de ez mit sem von le értékéből.
A 7. ábrán egy marsbeli porszemcse AFM-képét látjuk a bekarikázott helyen. A hordozóban lyukak voltak kiképezve, hogy a porszemek ott csapdába essenek.
A Phoenix-expedíció egy lépés ahhoz, hogy az ember majdan megvethesse a lábát a Marson. A Mars felszínén lévő finom por jellemzésére olyan miniatürizált atomerő-mikroszkópot küldtek fel, amely néhány nanométeres felbontásával a fénymikroszkóp lehetőségeit messze túlhaladja. Ez a példa arra is ráirányítja a figyelmet, hogy a miniatürizálás segítségével olyan költségcsökkenést lehet elérni, ami az eddigi űrkísérletezés újragondolását teszi szükségessé.