«Η ΥΛΗ ΣΤΗ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ»
Ερευνητική εργασία-Τάξη Α΄

ΟΜΑΔΑ:

Κάτσιου Αθανασία-Φαίδρα

Μπουτσιούκης Θανάσης

Μωραΐτη Ευδοκία

Χαραλαμπίδου Μαρία-Ραφαέλα

Χατζημιχαήλ Κωνσταντίνος

Θεσσαλονίκη, Μάιος 2012

Εισαγωγή

Νανοτεχνολογία είναι η επιστήμη που έχει τη δυνατότητα να ελέγχει τις διαστάσεις των υλικών σε κλίμακα νανομέτρων και έχει αποδείξει τις εντυπωσιακές ιδιότητες που αποκτούν αυτά όταν οι διαστάσεις τους είναι μερικά νανόμετρα.

Το πρόθεμα νάνο, αντιστοιχεί στο μέγεθος 10^-9, δηλαδή το ένα νανόμετρο (nm) είναι ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από το ένα μέτρο (m). Οι διαστάσεις γίνονται ευκολότερα αντιληπτές αναφέροντας πως ένα νανόμετρο ισούται περίπου με το 1/80000 μιας ανθρώπινης τρίχας ή με το μήκος 10 ατόμων υδρογόνων σε σειρά. Έτσι χρησιμοποιούμε τον όρο νάνο όπως νανοσωματίδια, νανοϊνίδια, νανοσφαιρίδια κλπ., όταν μιλάμε για σωματίδια μεγέθους περίπου από 1 μέχρι 100 νανόμετρα.

Το ενδιαφέρον της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας στράφηκε προς τα νανοϋλικά όταν διαπιστώθηκαν ότι αυτού του είδους τα υλικά έχουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες όταν σχηματίζουν σωματίδια σε νανοδιαστάσεις αντί για τα γνωστά μεγάλα σωματίδια που είναι ορατά με γυμνό μάτι ή με ένα απλό οπτικό μικροσκόπιο.

Τα νανοϋλικά ήδη έχουν βρει πληθώρα εφαρμογών και στο μέλλον αναμένεται να βρουν πολύ περισσότερες. Αρχικά, το ενδιαφέρον εστιάστηκε σε συγκεκριμένες εφαρμογές όπως στις βιοεπιστήμες, στη νανοηλεκτρονική και στην αεροδιαστημική. Σήμερα, όμως, τα νανοϋλικά έχουν εξαπλωθεί από το χώρο των επιστημών και της τεχνολογίας και έχουν μπει στην καθημερινή μας ζωή αφού έχουν βρει ποικίλες εφαρμογές όπως σε δομικά υλικά για καθαρισμό, προστασία, διακόσμηση, καθαρισμό και αποκατάσταση κτιρίων, αλλά και σε προϊόντα καθημερινής οικιακής και όχι μόνο χρήσης.

Δε θα πρέπει ωστόσο να φανταστεί κάποιος πως η νανοτεχνολογία πρόκειται για επιστημονική επανάσταση. Τα περισσότερα θέματα όπου αυτή περικλείει προκύπτουν σαν λογική συνέπεια της εξέλιξης της ικανότητας της επιστήμης και της τεχνολογίας να ερευνά και να εργάζεται σε όλο και μικρότερη κλίμακα. Εξάλλου, η κατάλυση, ένα φαινόμενο που ανέκαθεν χαρακτηριζόταν από νανομετρικές διαστάσεις αποτελεί επιστημονικό κλάδο ο οποίος αναπτύσσεται πολλές δεκαετίες. Επιπλέον, ολόκληρα επιστημονικά πεδία όπως η χημεία ή η βιολογία ανέκαθεν δούλευαν σε τέτοιες διαστάσεις παρόλο που ο όρος νανοεπιστήμη εισήχθη μόλις πρόσφατα.

Συχνά συ?βάλλει στην προσέγγιση διαφόρων πεδίων της επιστή?ης και επωφελείται η ίδια από τη διεπιστη?ονική προσέγγιση, ενώ ανα?ένεται να οδηγήσει σε καινοτο?ίες που θα συ?βάλουν στην αντιμετώπιση πολλών από τα προβλήματα ?ε τα οποία βρίσκεται σή?ερα αντιμέτωπη η κοινωνία:

Ιατρικές εφαρ?ογές συ?περιλα?βανο?ένων π.χ. ?ικροσκοπικών διαγνωστικών ?έσων που θα ?πορούν να ε?φυτεύονται για την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών. Νανοτεχνολογικές επιστρώσεις θα ?πορούν να βελτιώνουν τη διαδραστικότητα και βιοσυ?βατότητα των ε?φυτευ?άτων. Τα ικριώ?ατα που διαθέτουν την ικανότητα αυτοοργάνωσης ανοίγουν τον δρό?ο για νέες γενιές υλικών ?ηχανικής των ιστών και βιο?ι?ητικών υλικών, από τα οποία ?ακροπρόθεσ?α θα ?πορούν να κατασκευάζονται τεχνητά όργανα. Υπό ανάπτυξη βρίσκονται νεωτεριστικά συστή?ατα για στοχοθετη?ένη χορήγηση φαρ?άκων. Προσφάτως, νανοσω?ατίδια διοχετεύθηκαν σε καρκινικά κύτταρα για θεραπευτικούς σκοπούς (θερ?ική ίαση).

Τεχνολογίες της πληροφορίας συ?περιλα?βανο?ένων ?έσων για την αποθήκευση δεδο?ένων ?ε πολύ ?εγάλες πυκνότητες καταγραφής (π.χ. 1 Terabit/inch2) και νέων τεχνολογιών απεικόνισης σε πολύ ευέλικτα πλαστικά υλικά. Μακροπρόθεσ?α, η επίτευξη ?οριακής ή βιο?οριακής νανοηλεκτρονικής, σπιντρονικής και κβαντικής τεχνολογίας ηλεκτρονικών υπολογιστών θα ?πορούσαν να ανοίξουν νέους δρό?ους πέρα από τη ση?ερινή τεχνολογία των υπολογιστών.

Η παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας ?πορούν για παράδειγ?α να έχουν οφέλη από τις νέες κυψέλες καυσί?ου ή από νανοδο?η?ένα στερεά πολύ ?ικρού βάρους και υψηλού δυνα?ικού αποθήκευσης υδρογόνου. Υπό ανάπτυξη βρίσκονται επίσης αποτελεσ?ατικοί και χα?ηλού κόστους φωτοβολταϊκοί ηλιακοί συλλέκτες. Επισπεύδεται η εξοικονό?ηση ενέργειας ?έσω της ανάπτυξης νανοτεχνολογικών λύσεων που οδηγούν σε βελτίωση των ?ονώσεων, των ?εταφορών και του φωτισ?ού.

Αξιοποίηση της νανοτεχνολογίας στην επιστή?η των υλικών ?ε εφαρ?ογές ?εγάλου εύρους ανα?ένεται να επηρεάσουν ουσιαστικά όλους τους το?είς. Νανοσω?ατίδια χρησι?οποιούνται ήδη για την ισχυροποίηση υλικών και για ?εγαλύτερη αποτελεσ?ατικότητα των καλλυντικών. Με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας ?πορούν να τροποποιούνται διάφορες επιφάνειες έτσι ώστε να ?ην χαράσσονται, να γίνονται αδιάβροχες, καθαρές ή αποστειρω?ένες. Η επιλεκτική ?ετα?όσχευση οργανικών ?ορίων ?έσω νανοδο?η?ένων επιφανειών ανα?ένεται ότι θα επηρεάσει την παραγωγή βιοαισθητήρων και ?οριακών ηλεκτρονικών συσκευών. Οι επιδόσεις των υλικών σε ακραίες συνθήκες ?πορούν να βελτιωθούν σε ση?αντικό βαθ?ό προς όφελος π.χ. της βιο?ηχανίας αεροναυτικής και διαστή?ατος.

Η βιο?ηχανική παραγωγή σε επίπεδο νανοκλί?ακας προαπαιτεί ?ια νέα διεπιστη?ονική προσέγγιση σε ό,τι αφορά τόσο την έρευνα όσο και την παραγωγή. Θεωρητικά, δύο είναι οι κύριες προσεγγίσεις: η πρώτη, ?ε αφετηρία τα ?ικροσυστή?ατα, καταλήγει στην ελάχιστη δυνατή κλί?ακα (κατιούσα προσέγγιση) και η δεύτερη ?ι?είται τη φύση ?έσω της δη?ιουργίας δο?ών που εκκινούν από το ατο?ικό και το ?οριακό επίπεδο (ανιούσα πορεία). Η πρώτη ?πορεί να συσχετιστεί ?ε συναρ?ολόγηση, η δεύτερη ?ε σύνθεση. Η ανιούσα προσέγγιση βρίσκεται σε πρώι?ο στάδιο, η δυνα?ική της ό?ως έχει ?εγάλη ε?βέλεια έτσι ώστε να ?πορεί να επιφέρει ανατροπές στις τρέχουσες διεργασίας παραγωγής.

Η χρήση επιστη?ονικών οργάνων για τη ?ελέτη των ιδιοτήτων της ύλης σε επίπεδο νανοκλί?ακας επηρεάζει ήδη ση?αντικά τόσο ά?εσα όσο και έ??εσα, και δίνει έτσι ώθηση για πρόοδο σε ευρύ φάσ?α το?έων. Η εφεύρεση του Scanning Tunnelling Microscope υπήρξε ορόση?ο στη γέννηση της νανοτεχνολογίας. Τα επιστη?ονικά όργανα διαδρα?ατίζουν επίσης ουσιαστικό ρόλο για την ανάπτυξη ανιουσών και κατιουσών διεργασιών παραγωγής.

Η έρευνα ?ε αντικεί?ενο τα είδη διατροφής, τους υδάτινους πόρους και το περιβάλλον ?πορεί να προχωρήσει ?έσω των εξελίξεων της νανοτεχνολογίας, ?εταξύ των οποίων συ?περιλα?βάνονται εργαλεία ανίχνευσης και εξουδετέρωσης της παρουσίας ?ικροοργανισ?ών και φυτοφαρ?άκων. Η καταγωγή εισαγό?ενων ειδών διατροφής ?πορεί να ανιχνεύεται ?ε τη βοήθεια νανοσή?ανσης σε ελάχιστη κλί?ακα. Η ανάπτυξη διορθωτικών ?εθόδων ?ε βάση τη νανοτεχνολογία (π.χ. φωτοκαταλυτικές τεχνικές) ?πορεί να έχει θετικά αποτελέσ?ατα για την αντι?ετώπιση της επιβάρυνσης και ρύπανσης του περιβάλλοντος (π.χ. διείσδυση πετρελαίου στους υδάτινους πόρους και στο έδαφος).

Η ασφάλεια ανα?ένεται να ενισχυθεί ?ε τη βοήθεια π.χ. νεωτεριστικών συστη?άτων ανίχνευσης τα οποία εξασφαλίζουν έγκαιρη προειδοποίηση έναντι βιολογικών ή χη?ικών παραγόντων ?έχρι το επίπεδο του ?ορίου. Βελτιω?ένη προστασία της ιδιοκτησίας (π.χ. τραπεζογρα??ατίων) θα ?πορούσε να επιτευχθεί ?ε νανοετικέτες. Σε εξέλιξη βρίσκεται επίσης η ανάπτυξη νέων κρυπτογραφικών τεχνικών για την κοινοποίηση δεδο?ένων.

Στην αγορά κυκλοφορούν ήδη αρκετά προϊόντα βασισ?ένα στη νανοτεχνολογία: ιατρικά προϊόντα (π.χ. επίδεσ?οι, καρδιακές βαλβίδες κ.ά.), ηλεκτρονικά εξαρτή?ατα, βαφές που δεν χαράσσονται, αθλητικά είδη, υφάσ?ατα που δεν τσαλακώνουν και δεν λεκιάζουν, αντιηλιακές κρέ?ες. Οι αναλυτές εκτι?ούν ότι η αγορά αυτών των προϊόντων ανέρχεται σή?ερα σε 2,5 δισεκατο??ύρια ευρώ ?ε προοπτική να ανέλθει σε εκατοντάδες δισεκατο??ύρια ευρώ ?έχρι το 2010 και ένα τρισεκατο??ύριο ευρώ αργότερα. Με την προοπτική επίτευξης βελτιω?ένων επιδόσεων ?ε λιγότερες πρώτες ύλες, συγκεκρι?ένα ?έσω της ανιούσας προσέγγισης στην παραγωγή, η νανοτεχνολογία περικλείει ?ια δυνα?ική για ?είωση των αποβλήτων στη διάρκεια του κύκλου ζωής των προϊόντων.

Είδη Μικροσκοπίων

Μικροσκόπιο AFM

Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), μας δίνει εικόνες των ατόμων που βρίσκονται πάνω σε μια επιφάνεια ή μέσα σ' αυτήν. 

Το  AFM δουλεύει στηριζόμενο στη σάρωση που εκτελεί μια λεπτή κεραμική ή από ημιαγώγιμο υλικό βελόνα, πάνω από μια επιφάνεια, κατά τον ίδιο περίπου τρόπο που η βελόνα ενός πικάπ σαρώνει τα αυλάκια ενός δίσκου βινυλίου.

Η αιχμή της βελόνας τοποθετείται στην άκρη ενός μοχλοβραχίονα που μπορεί να ταλαντεύεται ενώ είναι στερεωμένος στο άλλο άκρο, όπως περίπου ένας βατήρας καταδύσεων.

Καθώς η ακίδα έλκεται ή απωθείται από την επιφάνεια που σαρώνει, ο μοχλοβραχίονας αυτός αποκλίνει. Το μέγεθος της απόκλισης καταγράφεται από μια δέσμη λέιζερ η οποία ανακλάται σε αμβλεία γωνία από το άκρο του μοχλοβραχίονα που ταλαντώνεται. Το γράφημα της απόκλισης της δέσμης λέιζερ σε σχέση με τη θέση της ακίδας πάνω στην επιφάνεια του δείγματος, μας δίνει την ανάλυση της επιφάνειας σε όρη και κοιλάδες που περιέχει αυτή. Μας δίνει δηλαδή τη μορφολογία της επιφάνειας.

Το AFM μπορεί να δουλέψει με την ακίδα σε επαφή με το δείγμα, είτε με την ακίδα να χτυπά ελαφρά την επιφάνεια όπως περίπου κάνουν οι τυφλοί με τα μπαστούνια τους. Τότε καταγράφονται οι μεταβολές που παρατηρούνται ως προς τη σκληρότητα της επιφάνειας ή ως προς την τάση προσκόλλησης της ακίδας στην επιφάνεια. 

 Με τη μέθοδο της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης, πετυχαίνουμε διακριτική ικανότητα επί της επιφανείας από Angrstroms μέχρι μερικά μικρά του μέτρου. Η ακτίνα της ακίδας είναι της τάξης των 20 νανομέτρων. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ ακίδας και επιφάνειας είναι της τάξης των 10-11 έως 10-6 Ν.

 Άλλες παραλλαγές της μεθόδου είναι:

• Η μέθοδος μαγνητικής δύναμης, κατά την οποία η ακίδα είναι μαγνητική και έτσι οπτικοποιούνται οι μαγνητικές περιοχές του δείγματος.

• Η μέθοδος ηλεκτρικής δύναμης, κατά την οποία η ακίδα είναι φορτισμένη, και έτσι εντοπίζονται και καταγράφονται οι μεταβολές ως προς το φορτίο της επιφάνειας. δείγματος.

Τυπική μορφή ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης

Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (AFM) αποκαλύπτει τη χημική ταυτότητα μεμονωμένων ατόμων

Μια διεθνής ομάδα φυσικών έδειξε για πρώτη φορά ότι το Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (AFM) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποκαλύψει τη χημική ταυτότητα μεμονωμένων ατόμων σε μια επιφάνεια σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να προετοιμάσει το έδαφος για το χημικό προσδιορισμό στην ατομική κλίμακα, δεδομένου ότι μπορεί να επιλέξει συγκεκριμένα άτομα από ένα σύνθετο μίγμα στοιχείων.

Παρακάτω: Ένα Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης μπορεί να προσδιορίσει την ταυτότητα των ατόμων της επιφάνειας ενός κράματος: άτομα πυριτίου [κόκκινο], κασσιτέρου [μπλε] και μολύβδου [πράσινα]

Το μικροσκόπιο AFM  λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο που μια βελόνα διαβάζει ένα δίσκο μουσικής. Χρησιμοποιεί μια υπέρλεπτη ακίδα που στηρίζεται σε εύκαμπτο προεξέχοντα βραχίονα. Καθώς η ακίδα σαρώνει την υπό εξέταση επιφάνεια, εκτελεί ανοδικές και καθοδικές κινήσεις καθώς συναντά τα άτομα της επιφάνειας.

Η ταλάντωση αυτή οφείλεται στις ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των ατόμων του πυριτίου της ακίδας και των ατόμων της επιφάνειας. Μάλιστα, ο ρυθμός ταλάντευσης του βραχίονα εξαρτάται  από την απόσταση μεταξύ του ατόμου και της άκρης. Αυτές οι μεταβολές μπορούν εν συνεχεία να μετατραπούν σε χάρτη της επιφάνειας ατομικής κλίμακας.

"Μέχρι σήμερα δεν υπήρχε καμία τεχνική η οποία να μας επιτρέπει τον προσδιορισμό της ταυτότητας κάθε μεμονωμένου ατόμου και την ταυτόχρονη παρατήρηση τους", δηλώνει ο Ruben Perez, του Αυτόνομου Πανεπιστημίου στη Μαδρίτη. Χρησιμοποιώντας το AFM, ο Oscar Custance και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Οζάκα, μαζί με τον Perez και άλλους συναδέλφους τους, κατάφεραν να διακρίνουν άτομα κασσιτέρου, πυριτίου και μολύβδου, τα οποία μεταξύ τους παρουσιάζουν χημική ομοιότητα. Η εικόνα των ατόμων που προκύπτει μοιάζει με έναν κοκκώδη πίνακα, όπου οι «κόκκοι» ? τα μεμονωμένα άτομα ? καθίστανται διακριτά όταν ψευδοχρωματίζονται.

Η ικανότητα ταυτοποίησης και χειρισμού των ατόμων ήρθε για πρώτη φορά στο προσκήνιο το 1989, όταν οι επιστήμονες της IBM σχημάτισαν το λογότυπο της εταιρείας τους με άτομα ξένου. Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί στηρίχτηκαν στο σαρωτικό μικροσκόπιο σήραγγας (STM), το οποίο ανιχνεύει τα άτομα μέσω μικρής ροής ηλεκτρονίων μεταξύ της αιχμής της ακίδας του μικροσκοπίου και ενός ατόμου. Ωστόσο, το μικροσκόπιο STM μπορεί να ταυτοποιήσει άτομα μόνο ηλεκτρικώς αγώγιμων υλικών σε αντίθεση με την τεχνική αυτή, που χρησιμοποιείται και για αγωγό και για μονωτή.

Οι ερευνητές κάνοντας επαναλαμβανόμενες ιδιαίτερα ακριβείς μετρήσεις έδειξαν ότι οι δυνάμεις μεταξύ της άκρης της ακίδας και του κάθε στοιχείου ήταν ελάχιστα διαφορετικές. Για να γίνουν οι ταυτοποιήσεις ήταν απαραίτητο η ακίδα να επιστρέψει στο ίδιο άτομο πολλές φορές και να εστιάσει το μικροσκόπιο στο ίδιο σημείο με μια ακρίβεια 0,5 ?ngstroms. Επίσης, παρατήρησαν ότι το μέγεθος αυτών των δυνάμεων ποίκιλε από πείραμα σε πείραμα, επειδή η ακριβής σύνθεση της άκρης της ακίδας είναι αδύνατον να ελεγχθεί. Εντούτοις, η αναλογία των δυνάμεων της αλληλεπίδρασης μεταξύ του κάθε στοιχείου παρέμεινε σταθερή ανεξάρτητα από τη σύνθεση και τη δομή της άκρης του μικροσκοπίου.

Το επόμενο βήμα, λένε οι επιστήμονες, θα ήταν να ξεχωρίσουν πάνω από τρία στοιχεία, που χρησιμοποιήθηκαν από την ομάδα της Οζάκα. Εάν, επίσης, μπορούσε να εφαρμοστεί σε μονωτικές επιφάνειες, το σύστημα θα μπορούσε τελικά να εξελιχθεί σε ένα αναλυτικό εργαλείο για να προσδιοριστούν με εύκολο τρόπο μεμονωμένα άτομα της επιφάνειας.

Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο

Ο όρος Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο, αν και λανθασμένος, έχει επικρατήσει στην Ελληνική ορολογία.  Πιο σωστά θα έπρεπε να ονομάζεται Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο επειδή η ακτινοβολία που χρησιμοποιεί είναι επιταχυνμένα ηλεκτρόνια.  Η λέξη ηλεκτρονικό, όπως έχει επικρατήσει στην Ελληνική γλώσσα, σημαίνει απλά ότι είναι μια ηλεκτρονική συσκευή.  Ο αντίστοιχος Αγγλικός όρος είναι Electron Microscope και όχι Electronic όπως λάθος πολλοί το αναφέρουν.  Στη Γαλλική γλώσσα ο όρος είναι ο ίδιος, και για τις δυο έννοιες και μάλλον από αυτή προήλθε και ο αντίστοιχος Ελληνικός.

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία κάνει χρήση των ιδιοτήτων των ηλεκτρονίων καθώς αυτά οπισθοσκεδάζονται από ένα σώμα ή διέρχονται μέσα από αυτό. Η υπεροχή ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου εν συγκρίσει με ένα οπτικό μικροσκόπιο στηρίζεται στα εξής:

Ένα οπτικό μικροσκόπιο μας επιτρέπει μεγέθυνση εκατοντάδων φορών. Ωστόσο η ελάχιστη λεπτομέρεια που μπορεί να διακριθεί είναι περίπου 200nm, όριο το οποίο το θέτει η κυματική φύση του ορατού φωτός και το ελάχιστο μήκος κύματος του. Αντιθέτως, ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εκμεταλλεύεται τη κυματική φύση των ηλεκτρονίων σε μήκη κύματος πολύ μικρότερα.

Όπως γνωρίζουμε η σχέση μήκους κύματος και ορμής ή ενέργειας δίνεται από τον τύπο:

λ=h/p=hc/E,

όπου h η σταθερά του Πλανκ, p η ορμή και Ε η ενέργεια. Για ηλεκτρόνια ενέργειας 3600 eV και σύμφωνα με τον παραπάνω τύπο το μήκος κύματος ισούται με 0,02 nm. Βέβαια η τελική μέγιστη ανάλυση είναι μικρότερη, της τάξεως του 0,1 nm καθώς υπεισέρχονται περιορισμοί από τη κατασκευή του οργάνου.

            Σύμφωνα με τη θεωρία του De Broglie, το μήκος κύματος λ των ηλεκτρονίων υπολογίζεται από τον τύπο:                 

(1)

όπου V είναι η τάση επιτάχυνσης των σωματιδίων σε Volts και λ το μήκος κύματος των επιταχυνμένων ηλεκτρονίων. Έτσι για μια τάση επιτάχυνσης 80 kV, το μήκος κύματος λ γίνεται λ=0.004 nm. 

σύμφωνα με τον τύπο (2), όπου (Α) είναι το αριθμητικό άνοιγμα του φακού, η διακριτική ικανότητα (d) γίνεται περίπου 0.15 nm.

Το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης (ΗΜΔ, ΤΕΜ, TransmissionElectronMicroscope)

Στο ΗΜΔ  η πηγή ηλεκτρονίων αποτελείται ένα νήμα βολφραμίου (ή ακίδα LaB₆) που με την πυράκτωσή, όταν περάσει από αυτό ηλεκτρικό ρεύμα, εκπέμπει ηλεκτρόνια.  Μεταξύ του νήματος, που αποτελεί την κάθοδο, και της ανόδου, εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού (συνήθως της τάξης των 60-100 kV) η οποία επιταχύνει τα ηλεκτρόνια.  Η πορεία των ηλεκτρονίων, ρυθμίζεται από τους ηλεκτρομαγνητικούς φακούς στους οποίους αλλάζοντας την ένταση του ρεύματος που τους διαπερνάει, μπορούμε να μεταβάλλουμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου τους (δηλαδή την εστιακή τους απόσταση) και επομένως να εστιάσουμε τη δέσμη των ηλεκτρονίων πάνω στο παρασκεύασμα.

Οι κύριες ρυθμίσεις σ' ένα ΗΜΔ επιτυγχάνονται με:

1.          τον συγκεντρωτή φακό (condenser lens), εστίαση της δέσμης στο παρασκεύασμα.

2.          τον αντικειμενικό φακό  (objective lens), εστίαση της εικόνας στην οθόνη.

3.          ενδιάμεσος ή και φακός προβολής (intermediate, projector lens) για τη ρύθμιση της μεγέθυνσης.

Η εικόνα σχηματίζεται πάνω σε μια οθόνη επικαλυμμένη με φωσφορίζουσα ουσία η οποία διεγείρεται από τα ηλεκτρόνια που πέφτουν επάνω της, αφού αυτά διαπεράσουν το παρασκεύασμα.  Τα σημεία του παρασκευάσματος που δεν είναι διαπερατά από τα ηλεκτρόνια, μας δίνουνσκοτεινές περιοχές (ηλεκτρονιόφιλες, ηλεκτρονιακά πυκνές, electron dense) ενώ αντίθετα τα διαπερατά σημεία (ηλεκτρονιακά διαφανή, electron lucent) μας δίνουν φωτεινές περιοχές.  Αυτή η διαφοροποίηση επιτυγχάνεται με την εκλεκτική «χρώση» του παρασκευάσματος

Εικόνα 1.  Σχηματική παράσταση ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διέλευσης.

            Φυσικά αυτές τις εικόνες εκτός του ότι μπορούμε να τις παρατηρήσουμε απ' ευθείας στην οθόνη του μικροσκοπίου, μπορούμε και να τις απεικονίσουμε με τις ειδικές φωτογραφικές μηχανές που είναι πάντα ενσωματωμένες στα μικροσκόπια.  Τα πιο σύγχρονα μικροσκόπια διαθέτουν ενσωματωμένη ψηφιακή κάμερα και μικροϋπολογιστή και έτσι μπορεί να γίνει απ? εθείας ψηφιοποίηση και αποθήκευση της εικόνας

Επειδή τα ηλεκτρόνια δε μπορούν να ταξιδέψουν στον αέρα, το όλο σύστημα, πηγή ηλεκτρονίων, φακοί, παρασκεύασμα, οθόνη και σύστημα φωτογράφησης πρέπει να βρίσκονται σε υψηλό κενό της τάξης των 10^-4 Torr τουλάχιστο. 

Ο τρόπος που λειτουργεί το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μας θέτει πολλούς περιορισμούς ως προς τη φύση των δειγμάτων που μπορούμε να παρατηρήσουμε.  Έτσι ένα δείγμα για να είναι δυνατό να παρατηρηθεί με το κλασσικό ΗΜΔ και με τις κλασσικές μεθόδους θα πρέπει να έχει τις παρακάτω ιδιότητες:

α. να αντέχει σε υψηλό κενό,

β. να είναι σταθερό στο βομβαρδισμό ηλεκτρονίων,

γ. να είναι αρκετά λεπτό για να μπορούν να το διαπερνούν τα ηλεκτρόνια, και

δ. να επιτρέπει τη διαφορική σκέδαση των ηλεκτρονίων.

            Αυτές οι ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα παρασκεύασμα, μας περιορίζουν στο να μπορούμε να εξετάσουμε μόνο μονιμοποιημένα δείγματα (νεκρά), αφυδατωμένα, κομμένα σε πολύ λεπτές τομές (πάχος 50-100  nm) και «χρωματισμένα» με «χρωστικές» που περιέχουν βαριά μέταλλα, όπως για παράδειγμα είναι ο μόλυβδος και το ουράνιο. 

Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (ΗΜΣ, ScanningElectronMicroscope, SEM)

Το ΗΜΣ παράγει καλά εστιασμένες τρισδιάστατες εικόνες με μεγάλη λεπτομέρεια.  Ένα σύγχρονο ΗΜΣ έχει διακριτική ικανότητα που φτάνει τα 3 nm.         Το ΗΜΣ χρησιμοποιεί, όπως και το ΗΜΔ, μια δέσμη ηλεκτρονίων που εδώ όμως αντί να διαπερνούν το παρασκεύασμα, σαρώνουν την επιφάνειά του (όπως σαρώνουν τα μάτια μας τη σελίδα ενός βιβλίου όταν διαβάζουμε) με πολύ μεγάλη ταχύτητα.  Η δέσμη των ηλεκτρονίων παράγεται και εδώ από ένα νήμα, και ένα σύστημα ανόδου καθόδου όπου εφαρμόζεται υψηλή τάση, συνήθως της τάξης των 15-40 kV, για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων  Η δέσμη των ηλεκτρονίων αφού εστιαστεί από  σύστημα  συγκεντρωτών  φακών βομβαρδίζει το παρασκεύασμα με αποτέλεσμα κάποια από τα ηλεκτρόνια να το διαπερνούν, κάποια να σκεδάζονται ή να άγονται ενώ συγχρόνως να προκαλείται η παραγωγή δευτερογενών ηλεκτρονίων, ακτινών Χ και ηλεκτρονίων Auger, όπως δείχνει η Εικόνα 4.  Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια, που προέρχονται από την επιφάνεια του παρασκευάσματος έχουν μικρή σχετικά  ενέργεια που σχετίζεται με τη τοπογραφία του.  Αυτά τα δευτερογενή ηλεκτρόνια συλλέγονται και στέλνονται σαν ένα ηλεκτρονικό σήμα μέσω ενός ενισχυτή εικόνας σ? ένα καθοδικό σωλήνα (CRT) όπου γίνεται και η παρατήρηση ή και η φωτογράφηση του δείγματος.  Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια ή ακτινοβολίες που παράγονται μπορούν να μας δώσουν άλλες πληροφορίες σχετικές με την υφή και σύσταση του παρασκευάσματος.

Εικόνα 2.  Σχηματική παράσταση των διαφόρων τμημάτων ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (ΗΜΣ).

 
Εικόνα 3. Οι διάφοροι τρόποι αλληλοεπίδρασης παρασκευάσματος και δέσμης επιταχυνμένων ηλεκτρονίων, όπως συμβαίνει και στο ΗΜΣ.

Εικόνες από Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο

ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ

1^ο πείραμα: Απομόνωση γραφενίου*

Σκοπός :απομόνωση γραφενίου από ξύσματα μολυβιού

Εξοπλισμός: 1 μολύβι

1 ξύστρα

10 κομμάτια σελοτέιπ (9cm)

Bήματα: Παίρνουμε ένα κομμάτι σελοτέιπ (9cm) και τοποθετούμε πάνω ξύσματα μολυβιού (γραφίτης). Παίρνουμε ένα άλλο κομμάτι σελοτέιπ και το κολλάμε πάνω στο προηγούμενο. Έπειτα παίρνουμε το δεύτερο και το κολλάμε σε νέο σελοτέιπ επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία και για τα δέκα κομμάτια σελοτέιπ.

Συμπεράσματα: Συμπεραίνουμε ότι στο τελευταίο σελοτέιπ έχουν απομείνει νανοσωματίδια γραφίτη που δεν είναι ορατά με το μάτι, αλλά με μικροσκόπιο. Αυτό είναι το γραφένιο. Το αποτέλεσμα είναι επιθυμητό καθώς περιμέναμε τα νανοσωματίδια γραφίτη που απέμειναν να είναι μη διακριτά με το γυμνό μάτι.

*γραφένιο: Ο όρος γραφένιο πρωτοεμφανίστηκε το 1987, προκειμένου να περιγράψει μονά φύλλα γραφίτη ως ένα από τα συστατικά των ενώσεων παρεμβολής γραφίτη (GICs). Ο όρος χρησιμοποιήθηκε επίσης στις πρώτες περιγραφές των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς και για την κρυσταλλική αύξηση του γραφενίου και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες.

Οι πρώτοι που απομόνωσαν το εξωτικό υλικό ήταν οι φυσικοί Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβολέσοφ στη Βρετανία, οι οποίοι χρησιμοποίησαν μια απλή κολλητική ταινία για να αποσπάσουν φύλλα γραφένιου από κρυστάλλους γραφίτη. Η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής του 2010, ωστόσο η μέθοδος της κολλητικής ταινίας δεν είναι δυνατό να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.

Μια εικόνα Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου από (Α) μια μονή στρώση γραφενίου, (Β) μια διπλωμένη μονή στρώση γραφενίου.

(C) Μια ατομική ανάλυση μιας μονής στρώσης γραφενίου.

2^ο Πείραμα: Αποκόλληση νανοσωματιδίων χαλκού

Σκοπός: Αποκόλληση νανοσωματιδίων χαλκού από σύρματα

Εξοπλισμός: 1 δοχείο με νερό και μαγειρική σόδα

2 χάλκινα σύρματα

Συσκευή παροχής ρεύματος

Βήματα: Αρχικά βάλαμε τη σόδα και το νερό στο δοχείο και στη συνέχεια τα δύο σύρματα χαλκού. Μετά συνδέσαμε τα σύρματα με την πηγή και ασκήσαμε τάση 20V για 10 λεπτά.

Συμπέρασμα: Αρχίζουν να βγαίνουν φυσαλίδες από τα σύρματα και το νερό παίρνει ένα γαλάζιο χρώμα. Επίσης το ένα συρματάκι γίνετε καφέ και το άλλο γαλάζιο. Τα νανοσωματίδια χαλκού που αποκολλούνται μαζεύονται σαν ίζημα στον πυθμένα του δοχείου. Το αποτέλεσμα είναι αναμενόμενο και επιθυμητό αφού επιτεύχθηκε ο στόχος της αποκόλλησης των νανοσωματιδίων χαλκού από την επικάλυψη χαλκού των συρμάτων.

Νανοσωματίδια χαλκού στους 300^ο C

3^ο Πείραμα: Μικροσκοπία ατομικών Δυνάμεων με τη διάταξη NanoEducator

Σκοπός: Τρισδιάστατη απεικόνιση της επιφάνειας ενός DVD και μέτρηση της τραχύτητάς του.

Το πείραμα αφορά την σάρωση της επιφάνειας του υλικού όπου καταγράφεται η πληροφορία σε ένα DVD. Το υλικό αυτό είναι πολυκαρβονικό (άμορφο πολυμερές υλικό) και είναι αρκετά φθηνό, όπως φανερώνει και η τιμή των DVDs.

Εξοπλισμός: Το πείραμα εφαρμόστηκε σε πρόγραμμα demo και δεν χρειάστηκε εξοπλισμός παρά μόνο ένας Η/Υ.

Βήματα: Αφού ανοίξαμε το πρόγραμμα, αρχίσαμε το Scanning και ορίσαμε επιφάνεια σάρωσης. Κάθε φορά συμπληρώνονταν γραμμές, οι οποίες καταγράφονταν. Μόλις ολοκληρώθηκε η σάρωση, είδαμε την εικόνα τρισδιάστατη και δισδιάστατη. Κάναμε ανάλυση της εικόνας και πήραμε την τιμή Roughness Average. Επαναλάβαμε το πείραμα για διάφορες περιοχές σάρωσης.

Συμπεράσματα: Όλοι βρήκαμε τους ίδιους αριθμούς γιατί το πρόγραμμα ήταν demo και δεν έγινε σε αληθινό μικροσκόπιο λόγω τις ευαισθησίας της βελόνας και του κόστους της, ώστε να αποφευχθούν πιθανές ζημιές. Οι τιμές που πήραμε για την τραχύτητα ανάμεσα στις διαφορετικές περιοχές σάρωσης διαφέρουν, γιατί όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή σάρωσης, τόσο πιο ακριβές είναι το αποτέλεσμα. Επομένως, παρόλο που το DVD φαίνεται λείο στο γυμνό μάτι, στην πραγματικότητα η επιφάνειά του δεν είναι λεία και στη νανοκλίμακα είναι φανερή η τραχύτητά της.

Φωτοβολταϊκά

Με τον γενικό όρο φωτοβολταϊκά χαρακτηρίζονται οι βιομηχανικές διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στην ουσία πρόκειται για ηλεκτρογενήτριες που συγκροτούνται από πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία σε επίπεδη διάταξη που έχουν ως βάση λειτουργίας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Τα φωτοβολταϊκά ανήκουν στη κατηγορία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ).

Φωτοβολταϊκή διάταξη

Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο

Το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Εντμόντ Μπεκερέλ (Alexandre-Edmond Becquerel ). Περιληπτικά πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο.

H λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων βασίζεται στη μεταφορά ενέργειας από τα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτουν στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού, στους φορείς ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) μέσα σε αυτόν. Το ημιαγώγιμο αυτό στρώμα χαρακτηρίζεται από δύο περιοχές, μία p-τύπου (πλούσια σε οπές) και μία n-τύπου (πλούσια σε ηλεκτρόνια), στη διεπιφάνεια των οποίων αναπτύσσεται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι είναι δυνατός τελικά ο διαχωρισμός των φορέων βάσει του είδους του ηλεκτρικού φορτίου που φέρουν. Ως αποτέλεσμα έχουμε καταρχήν την εμφάνιση διαφοράς δυναμικού (τάσης) στα άκρα του συστήματος και στη συνέχεια την κυκλοφορία των φορτίων (ηλεκτρικό ρεύμα), όταν γίνει σύνδεση με εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με χρήση δύο ηλεκτροδίων μεταλλικού τύπου που μπορούν να προσαρμοστούν εξωτερικά.
Τα περισσότερα ηλιακά πάνελς του εμπορίου χρησιμοποιούν κρυστάλλους πυριτίου (Si), οι οποίοι όμως παραμένουν ακόμη ακριβοί στη σύνθεσή τους, με αποτέλεσμα η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να είναι ασύμφορη οικονομικά ειδικά σε σύγκριση με την αντίστοιχη που παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα. Συγκρίνοντας το ειδικό κόστος παραγωγής - ισχύος (σε Εuros/W), η ηλιακή ενέργεια είναι ακόμη 3-4 φορές ακριβότερη από την ενέργεια που παράγεται από τα ορυκτά καύσιμα με αποτέλεσμα τον περιορισμό της χρήσης τους σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως π.χ. δορυφόρους και τηλεπικοινωνιακούς πύργους απομονωμένους από γραμμές ισχύος.

Σχετικά πρόσφατα, διάφοροι κατασκευαστές βρήκαν τρόπους να παράγουν πιο οικονομικά ηλιακά κύτταρα με χρήση νέων υλικών, όπως για παράδειγμα εξαιρετικά λεπτών στρώσεων (films) άμορφου πυριτίου ή οργανικών υλικών.

1η γενιά (PV πυριτίου)

Μονοκρυσταλλικά πλαίσια PV πυριτίου Πολυκρυσταλλικά πλαίσια PV πυριτίου

12 ? 18 % απόδοση, ευαίσθητα

στη θερμοκρασία, περισσότερο

ακριβά

χρησιμοποιούν μια σειρά κελιών αντί για ένα μεγάλο κελί, απόδοση 11-16%, μεγαλύτερο μέγεθος

2^η γενιά (λεπτά υμένια)