Первый, кто «увидел» атом
Семьдесят лет назад в лаборатории Осмонда на территории кампуса Университета штата Пенсильвания Эрвин В. Мюллер, профессор физики имени Эвана Пью, стал первым человеком, который «увидел» атом. Это событие закрепило его наследие не только в Университете штата Пенсильвания, но и как пионера в мире физики и за его пределами.
Путь учёного
Родом из Германии, Мюллер присоединился к преподавательскому составу Университета штата Пенсильвания в 1951 году, когда он назывался Колледжем штата Пенсильвания. Его лаборатория, лаборатория полевой эмиссии, первоначально располагалась в подвале Осмонда, а затем переехала на второй этаж Осмонда в 1954 году.
Исследования и открытия
В течение 20 лет исследования Мюллера были сосредоточены на разработке технологии повышения разрешения изображений, получаемых с помощью микроскопов. Сначала он изобрёл полевой эмиссионный микроскоп в 1936 году, который использовался для изучения поверхностей кончиков игл и почти достиг атомного разрешения. В 1951 году он разработал полевой ионный микроскоп — инструмент, с помощью которого он «увидел» атомы вольфрама в 1955 году.
В 1955 году Канвар Бахадур, аспирант Мюллера, экспериментировал с использованием жидкого азота для охлаждения вольфрамового наконечника полевого ионного микроскопа, чтобы попытаться увеличить разрешение и, наконец, достичь атомного разрешения.
Бахадур произвёл необходимые настройки. Мюллер посмотрел на полученное изображение и воскликнул: «Атомы, да, атомы!»
Принцип работы полевого ионного микроскопа
То, что увидел Мюллер, было не просто фотографией атомов, похожих на иллюстрации в учебниках по химии, поэтому слово «видеть» взято в кавычки. Полевой ионный микроскоп работал следующим образом: брали острый металлический наконечник — для этих первых изображений использовался вольфрам — и помещали его в сверхвысоковакуумную камеру. Затем камеру заполняли гелиевым газом, а наконечник охлаждали жидким азотом. После охлаждения на наконечник подавалось положительное напряжение, и ионы вольфрама отталкивались от наконечника. Сбор этих ионов с помощью экрана с фосфором приводил к получению увеличенного изображения отдельных атомов с атомным разрешением.
Значение открытия
«Сегодня способность «видеть» атомы считается крупным достижением в области микроскопии», — сказал Маурисио Терронес, заведующий кафедрой физики имени Джорджа А. и Маргарет М. Даунсборроу, профессор Университета Эвана Пью, химии и материаловедения и инженерии.
«Работа Мюллера помогла запустить революцию в области разрешения. С 1955 года получение изображений с атомным разрешением продвинулось не только до визуализации отдельных атомов, но и до проведения электронной микроскопии для выявления кристаллической структуры материалов на атомном уровне; атомной спектроскопии для определения атомных связей и элементного состава материалов; и реконструкции поверхности для визуализации взаимодействия атомов в трёхмерном пространстве».
Влияние на технологии
Работа Мюллера помогает вдохновлять на создание технологий, которые даже не были представлены в его время, таких как смартфоны и новые поколения компьютеров и телевизоров, согласно Даниэль Рейфснайдер Хикки, доценту кафедры химии и материаловедения и инженерии, которая сейчас работает над открытием и характеристикой новых материалов, позволяющих электронике работать быстрее и лучше.
«Используя коррекцию аберраций при просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет получать изображения с атомным разрешением, моя лаборатория вносит вклад в создание мощных новых технологий, которые можно использовать каждый день», — сказала она.
Продолжение исследований
Шак и Хикки проводят свои исследования в Институте исследований материалов Университета штата Пенсильвания, где размещается лаборатория по характеристике материалов. Исследователи, от студентов до преподавателей, изучающих химию, физику и многое другое, продолжают расширять границы и области применения изображений с атомным и наноразмерным разрешением, сказал Терронес.
Наследие и влияние
Прошло четыре года с момента изобретения Мюллером полевого ионного микроскопа в 1951 году, прежде чем он увеличил разрешение изображения настолько, что можно было увидеть отдельные атомы. Это достижение в 1955 году произошло через 147 лет после того, как Джон Дальтон впервые предположил, что вся материя состоит из крошечных неделимых частиц, называемых атомами. В течение примерно 25 лет после изобретения полевого ионного микроскопа он был единственным микроскопом, способным достигать атомного разрешения.
«Видение» атома не замедлило работу Мюллера. В 1960-х годах Джон А. Паниц присоединился к лаборатории Мюллера в качестве докторанта, изучающего технологии атомного зонда. Вместе Паниц и Мюллер изобрели атомно-зондовый полевой ионный микроскоп в 1967 году.
Мюллер и Паниц также работали с С. Бруксом Маклейном и Джерри Лероем Фаулером, техником-электронщиком лаборатории и ведущим техником соответственно. Группа усовершенствовала оригинальное изобретение Мюллера, так что новый атомно-зондовый полевой ионный микроскоп мог не только видеть отдельные атомы, но и определять их химическую природу.
Позднее Паниц, который окончил Университет штата Пенсильвания и сейчас является почётным профессором физики в Университете Нью-Мексико, изобрёл 10-сантиметровый атомно-зондовый микроскоп и визуализирующий атомно-зондовый микроскоп, который многие считают предшественником современных коммерческих атомно-зондовых микроскопов.
Эти коммерческие атомно-зондовые микроскопы, включая локальный электрод атомно-зондового микроскопа, первый из которых можно увидеть в вестибюле лаборатории Осмонда, быстро развивались в конце 1990-х — начале 2000-х годов, когда эти инструменты позволили изучать материалы, которые имеют важное значение для полупроводников и других технологий.
Успех Мюллера принёс ему множество наград, включая избрание в Национальную инженерную академию и Национальную академию наук. Если бы Мюллер не умер неожиданно в 1977 году, многие считали, что он получил бы Нобелевскую премию по физике. В том же году президент Джимми Картер посмертно наградил Мюллера Национальной медалью науки.
«Вспоминать наследие работы Мюллера важно здесь, в Университете штата Пенсильвания», — сказал Терронес, чья лаборатория занимает то, что когда-то было лабораторией полевой эмиссии Мюллера. «Его и другие открытия в физике распространяются и способствуют развитию технологий сегодня в биологии, материаловедении и медицине».
Предоставлено Университетом штата Пенсильвания.
atomic resolution. He followed that in 1951 by developing the field ion microscope, the tool with which he \”saw\” tungsten atoms in 1955.”,”In 1955, Kanwar Bahadur, Müller’s graduate student at the time who earned a doctorate from Penn State, experimented with using liquid nitrogen to cool the tungsten tip of the field ion microscope to try and increase the resolution to finally achieve atomic resolution. Bahadur and Müller hoped that a few fine adjustments would allow them to view atoms.”,”Bahadur made the adjustments. Müller looked at the resulting image and exclaimed, \”Atoms, ja, atoms!\””,”What Müller saw was not just a photograph of atoms that look like the illustrations in chemistry textbooks, hence the quotes around the word \”see.\” The field ion microscope worked by taking a sharp metal tip—made of tungsten for these first images—and placing it an ultra-high glass vacuum chamber. The chamber was then backfilled with helium gas, and the tip was cooled with liquid nitrogen. Once cooled, a positive voltage was applied to the tip and tungsten ions were repelled from the tip. Collecting these ions via a phosphor screen resulted in a magnified image at an atomic resolution of individual atoms.”,”\”Nowadays, to be able to ‘see’ atoms is remembered as a major achievement in the field of microscopy,\” said Mauricio Terrones, George A. and Margaret M. Downsbrough Head of the Department of Physics, Evan Pugh University Professor, and professor of chemistry and of materials science and engineering.”,”\”Müller’s work helped jumpstart a revolution in resolution. Since 1955, atomic resolution imaging has advanced to not only being able to visualize individual atoms, but also to perform electron microscopy to reveal the crystal structure of materials at the atomic scale; atomic spectroscopy to determine atomic-bonding and elemental compositions of materials; and surface reconstruction to visualize how atoms interact in 3D.\””,”When students of atomic imaging techniques, such as atom probe tomography (APT), learn the history of the field, they often start with Müller’s invention of the field ion microscope and his later discoveries.”,”\”Once I became involved in the field of APT, the name Müller was something I had to know,\” explained Oscar Lopez, a previous postdoctoral researcher in Terrones’ lab. \”People in the field have a real respect for Müller and his legacy.\””,”Today, Müller’s advancement of atomic resolution imaging can be seen across research at Penn State and beyond.”,”\”Our chemistry research works to place atoms in precise locations within nanostructured materials and uses atomic resolution imaging and electron microscopy to visualize these atoms and materials,\” said Raymond Schaak, DuPont Professor of Materials Chemistry and associate department head for research, explaining that his research aims to improve catalytic reactions in clean energy, as well as fuel and solar cells.”,”Müller’s work helps to inspire technologies that weren’t even imagined in his time, like smartphones and new generations of computers and televisions, according to Danielle Reifsnyder Hickey, assistant professor of chemistry and materials science and engineering, who now works to discover and characterize new materials that allow these electronics to work faster and better.”,”\”Using aberration-corrected transmission electron microscopy, which allows for imaging at atomic resolution, my lab contributes to creating powerful new technologies that can be used every day,\” she said.”,”Schaak and Hickey both conduct their research at Penn State’s Materials Research Institute, which hosts the Materials Characterization Laboratory. From undergraduates to faculty studying chemistry, physics and more, the researchers using the facility continue to push the boundaries and applications of atomic and nanoscale resolution imaging, Terrones said.”,”It took four years from his invention of the field ion microscope in 1951 for Müller to increase the tool’s image resolution to such a degree that individual atoms could be viewed. That achievement in 1955 came 147 years after John Dalton first proposed that all matter was composed of tiny indivisible particles called atoms. For about 25 years after the field ion microscope was invented, it was the only microscope able to achieve atomic resolution.”,”\”Seeing\” an atom didn’t slow Müller’s work, though.”,”In the 1960s, John A. Panitz joined Müller’s lab as a doctoral student studying atom probe technologies. Together, Panitz and Müller invented the atom probe field ion microscope in 1967. Müller and Panitz also worked with S. Brooks McLane and Gerry Leroy Fowler, the lab’s electronics technician and lead technician, respectively. The group advanced Müller’s original invention so that the new atom probe field ion microscope could not only view individual atoms, but also could determine their chemical nature.”,”Later, Panitz, who graduated from Penn State and is now professor emeritus of physics at the University of New Mexico, would go on to invent the 10-centimeter atom probe and the imaging atom probe, which is considered by many to be the precursor to modern commercialized atom probes.”,”These commercialized atom probes—including the local electrode atom probe, the first of which can be seen in the lobby of Osmond Lab—rapidly advanced in the late 1990s and early 2000s, when these instruments enabled the study materials that are essential for semiconductors and other technologies.”,”Müller’s success brought him many accolades, including election to the National Academy of Engineering and the National Academy of Sciences. Had Müller not died unexpectedly in 1977, many believed he would have gone on to win the Nobel Prize in Physics. The same year, President Jimmy Carter awarded Müller the National Medal of Science posthumously.”,”\”Remembering the legacy of Müller’s work is important here at Penn State,\” said Terrones, whose lab occupies what once was Müller’s field emission laboratory. \”His and other discoveries in physics propagate and aid in the development of technology today in biology, materials science and medicine.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tPennsylvania State University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник