الميكروسكوب النفقي الماسح

Scanning tunneling microscope (STM)

عندما نتحدث عن الميكروسكوب فان اول ما نفكر به هو جهاز الميكروسكوب الذي نعرفه في مختبرات المدراس والذي يعمل بتكوين صورة ضوئية عن العينة المراد النظر لها بشكل مكبر، ومع تقدم العلم وتطوره اصبح بالإمكان ان نحصل على تكبير يفوق أي توقع. في بدايات القرن العشرين مع اكتشاف الفيزياء الحديثة والخاصية المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي والجسيمات المادية ونظرية ميكانيكا الكم التي تدرس الاجسام على المستوى الذري الدقيق اصبح بالإمكان تصميم ميكروسكوب يعمل على التكبير بدرجة عالية جدا تصل الى مئات الاف المرات وهي تعتمد على استخدام موجة الالكترون وقد تحدثنا عن الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM والميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM وتوالت الاكتشافات ليظهر لنا في العام 1981 ميكروسكوب جديد من حيث فكرة عمله ومن حيث امكانياته وقدراته واستخداماته المتنوعة هذا الميكروسكوب يعرف باسم الميكروسكوب النفقي الماسح scanning tunneling microscope او STM.

يعتبر جهاز الميكروسكوب النفقي من الاجهزة الاساسية في علم النانوتكنولوجي والذي ساعد في دراسة المواد على المستوى الذري وفي بناء وفحص التراكيب النانوية. وتعتمد فكرة عمله على مبدأ النفق الكمي quantum tunneling. فعندما يقترب طرف المجس الموصل للكهرباء والذي يعرف باسم tip من السطح المراد فحصه يطبق فرق جهد بين السطح وطرف المجس tip يسمح بمرور الالكترونات من خلال نفق في الفراغ بينهما. تيار الالكترونات هذا تعرف باسم التيار النفقي tunneling current. يعتمد التيار النفقي على موضع المجس بالنسبة للسطح وعلى فرق الجهد المطبق وعلى الكثافة الموضعية للعينة.

في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل جهاز الميكروسكوب النفقي STM وانماط تشغيله كما سوف نتعرف على الاجهزة التي تعمل على نفس فكرة عمله.

كيف يعمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح

Scanning Electron Microscopes (SEM)

في العام 1993، اتهم Charles Smithart بقتل فتاة تبلغ من العمر 11 عاما في مدينة Glennallen في السكا. المدعي العام شك في الجاني Smithart لأنه تواجد في موقع الحادث، ولكنهم لم يمتلكوا الدليل القاطع على ارتكابه الجريمة. وهنا يأتي دور الميكروسكوب الالكتروني الماسح scanning electron microscope والذي يعرف بالاختصار SEM.

باستخدام كاشف طيف أشعة اكس الموجود في جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح، يتمكن الطبيب الشرعي من تحليل المعادن الصغيرة التي قد توجد في مكان الجريمة. ومن هنا تمكن الطبيب الشرعي المكلف في جريمة المدعى عليه Smithart من إيجاد بعض القطع المعدنية ذات الشكل الدائري والتي غالبا ما تنتج في عمليات لحام المعادن أو عند سنها. وبعد التحقيق وجد أن المدعى عليه Smithart يمتلك منصة لحام في محله الذي اعتاد في الكثير من الأحيان إصلاح الدراجات الهوائية لأطفال المنطقة التي يعيش فيها. وبهذا يتوجب التقدم بالشكر والتقدير لجهاز الميكروسكوب الالكتروني الذي ساهم في تقديم الدليل القاطع على إدانة المتهم في الجريمة.

لماذا جهاز الميكروسكوب الالكتروني الماسح وليس جهاز ميكروسكوب ضوئي عادي والمتوفر في المدارس والجامعات استخدم لفحص دليل إدانة Smithart؟ لسبب واحد فقط فان الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM يكبر الأشياء لدرجة تصل إلى 300,000 مرة. ويشير العلماء إلى هذا الرقم بمصطلح يعرف باسم قوة التكبير magnification power ويشار للرقم بالشكل التالي 300,000^x، بالمقابل فان قوة التكبير في الميكروسكوب الضوئي لا تتجاوز بضعة مئات فقط. جهاز SEM يمتلك عمق تبئير كبير depth of field بالمقارنة مع الميكروسكوبات التقليدية، مما يعني إمكانية الحصول على صور ثلاثية الأبعاد وتحليلها، في حين الميكروسكوب الضوئي لا يوفر إلا صور سطحية ثنائية الأبعاد. وأخيرا فان جهاز SEM يستطيع أن يرى أكثر من السطح فهو أيضا يعطي معلومات على المركبات التي تدخل في تركيب العينة التي ينظر إليها. كل هذه الميزات أثبتت إنها مهمة جدا في فحص دليل الإدانة في الجريمة التي ارتكبها Smithart.

بالطبع فان جهاز SEM مثله مثل أي جهاز يمتلك بعض العيوب، والتي تتركز في ارتفاع ثمنه. فالجهاز الأرخص منه يكلف عشرات الآلاف من الدولارات وهناك أجهزة متقدمة أكثر يمكن أن يصل ثمنها إلى مئات آلاف الدولارات. كما إن أجهزة SEM أجهزة كبيرة وتحتوي على أجهزة دقيقة ومعقدة، وتتطلب خبرة ودراية عالية لتشغيلها. ونتيجة لهذا فان هذه استخدام هذه الأجهزة مقصورا على المنشآت الصناعية والبحثية، وهذه الأجهزة لها تطبيقات واسعة وأصبحت من الأدوات الأساسية لأي مؤسسة بحثية أو منشأة صناعية.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح مفصل لفكرة عمل الميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM وكيف يستطيع أن يظهر الصور المكبرة بتفاصيل عالية الدقة والتي لا يمكن الاستغناء عنه في الابحاث العلمية وخصوصا تقنية النانو وعلوم المواد والعلوم الاخرى. كما سوف نوضح الاكتشافات الحديثة التي طرأت على هذه التقنية. ولكن قبل الوصول لهذه النقطة لنبدأ بالبدايات مع هذا الجهاز.