آنچه که می‌بینیم و آنچه که دیده می‌شود
چرا نمی‌توان با نور مرئی مقیاس نانومتر را دید؟

 یک حبه قند بردارید و از نزدیک خوب به آن نگاه کنید. چه می‌بینید؟ توده‌ای کاملاً سفید و کمی متخلخل. حال قند را زیر یک ذره بین قرار دهید. واضح است که حبه قند بزرگتر شده است و حفره‌های ریزی نیز روی آن دیده می‌شود. اگر بخواهیم سطح قند را از فاصله نزدیک‌تری مشاهده کنیم، باید آن‌را زیر میکروسکوپ قرار دهیم (احتمالا در آزمایشگاه مدرسه بتوانید یک میکروسکوپ پیدا کنید).
در کنار هر میکروسکوپ نوشته‌ای وجود دارد مانند 100X (یا یک عدد دیگر در کنار X) که مشخص می‌کند آن میکروسکوپ تصویر را چند برابر می‌کند. به طور مثال اگر روی میکروسکوپ نوشته شده است 100X، به این معنی است که این میکروسکوپ تصویر جسم را 100 برابر می‌کند. با یک میکروسکوپ 100X می‌توانید خلل و فرج روی قند را بصورت حفره‌هایی بزرگ ببینید. اگر به آزمایشگاه‌های تخصصی‌تر و یا پژوهشگاه‌های صنعتی بروید، می‌توانید قند را زیر میکروسکوپ‌هایی قوی‌تری قرار داده و تصویر دقیق‌تری از آن‌را مشاهده کنید. این میکروسکوپ‌ها می‌توانند ساختار قند را تا 10000 برابر بزرگ‌تر کنند. این بزرگنمایی باعث می‌شود که شما دیگر آن جسم سفید را زیر میکروسکوپ نبینید. آیا می‌دانید این دستگاه کوچک، چگونه تصویر قند را بزرگ می‌کند؟

  

شکل 1- حبه قند و ساختار آن زیر یک میکروسکوپ

اولین کسی که میکروسکوپ نوری را در سال 400 هجری شمسی بصورت علمی مورد مطالعه قرار داد، ابن هیثم ایرانی بود. با ترجمه کتاب او به لاتین، راجر بیکن مطالعات او را پی گرفت. در قرن 16 میلادی یانسن اولین میکروسکوپ چند لنزی را اختراع کرد. پس از او گالیله میکروسکوپ نوری بسیار دقیق‌تری ساخت. نام میکروسکوپ (یعنی «دیدن در حد میکرومتر») اولین بار بر اختراع گالیله گذاشته شد. بطور کلی یک میکروسکوپ نوری از اجزاء زیر تشکیل شده است:

1. عدسی چشمی
2. صفحه گردان                                           
3. عدسی‌ شیئی
4. پیچ تنظیم اول
5. پیچ تنظیم دوم
6. صفحه پلاتینی
7. آیینه 
8. کندانسور یا دیافراگم 
  

شکل 2- اجزای یک میکروسکوپ نوری معمولی  

اساس کار در میکروسکوپ‌های نوری بر مبنای عملکرد عدسی‌ها است. عدسی از شیشه‌هایی با بزرگنمایی بسیار بالا ساخته می‌شوند، به این معنی که فاصله کانونی آنها بسیار کم است. مسیر نور از شیئ تا عدسی چشمی در شکل 3 به طور کامل نشان داده شده است. برای فهم این شکل کافی است مبحث نور کتاب فیزیک دبیرستان را مرور کنید. ما در اینجا اشاره کوچکی به عملکرد عدسی‌های شیئی و چشمی خواهیم داشت.
عدسی شیئی، مهمترین قسمت یک میکروسکوپ نوری است. این عدسی، یک عدسی همگرا با فاصله کانونی کوچک است که تصویری حقیقی، وارونه و بزرگتر از شیء تشکیل می‌دهد. البته برای این منظور شیء مورد نظر باید بین F0 (کانون عدسی شیئی) و 2F0 (نقطه‌ای که فاصله آن از عدسی دو برابر کانون است) عدسی قرار گیرد. 
عدسی چشمی، مثل ذره بین عمل می‌کند و بزرگنمایی ابتدایی عدسی شیئی را تقویت می‌کند. توان عدسی چشمی کمتر از عدسی شیئی است و تصویر وارونه عدسی شیئی را به یک تصویر مجازی، بزرگ‌تر و مستقیم تبدیل می‌کند. امروزه دستگاه‌های پیشرفته‌تری مانند میکروسکوپ‌های نوری دیجیتال وجود دارند که عملکرد آنها از آنچه در شکل (3) آمده پیچیده‌تر است.


شکل 3- مسیر عبور نور در یک میکروسکوپ نوری

حال به قندمان برگردیم. به نظر شما بزرگترین تصویری که می‌توانیم زیر میکروسکوپ نوری از قند ببینیم چه‌قدر است؟ به نظر شما آیا می‌توانیم ریز ساختارهای نانومتری قند را در زیر میکروسکوپ دید؟ اگر پاسخ شما منفی است آیا با تغییر قطر عدسی و یا سایر قسمت‌های میکروسکوپ می‌توان ساختارهایی نانومتری را مشاهده کرد؟
ما با استفاده از نور مرئی نمی‌توانیم مقیاس نانومتر (اندازه‌ای بین 1 تا 100 نانومتر) را ببینیم. البته محدودیت ما میزان بزرگنمایی عدسی‌های در دسترس نیست بلکه مشکل ماهیت نور مرئی و اساس کار میکروسکوپ‌های نوری است. 
طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است. در صورتی‌که می‌دانیم فضای نانومتری که ما خواستار بررسی و مشاهده آن هستیم، مقیاسی بین 1 تا 100 نانومتر دارد. برای اینکه بدانیم چرا نمی‌توان از طول موج 400 تا 700 نانومتر برای مشاهده 1 تا 100 نانومتر استفاده کرد، باید با پارامتر "تفکیک‌پذیری" آشنا شویم.


شکل 4- طول موج طیف‌های مختلف نور مرئی بر حسب نانومتر

شما حتما عبارت رزولوشن را بسیار شنیده‌اید. تفکیک‌پذیری یا رزولوشن پارامتری است که برای دستگاه‌های نوری مختلف (مانند دوربین عکاسی و ...) تعریف می‌شود. به‌طور خاص برای یک میکروسکوپ، منظور از تفکیک‌پذیری توانایی تمایز گذاشتن بین نقاط نزدیک به هم است بطوریکه آنها را نقاطی جدا از هم نشان دهد. بنابراین محدودیت عملکرد یک میکروسکوپ در کوچکترین فاصله‌ای است که می‌تواند تمیز دهد. در حالت ایده‌آل یک عدسی باید هر نقطه روی شیئ مورد مطالعه را بعنوان یک نقطه تصویر کند. اما در عمل یک عدسی هر نقطه را بصورت یک دایره توپر نشان می‌دهد و در نتیجه وضوح تصویر کم می‌شود. به این دایره‌ها "دیسک ایری" می‌گویند. دقت یک میکروسکوپ، وابسته به قدرت آن در متمایز کردن دو دایره ایری نزدیک به هم است. علت به‌وجود آمدن دیسک‌های ایری، پدیده پراش است. 
شعاع‌های موازی نور هنگام عبور از یک روزنه کوچک، از همدیگر دور می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. به این پدیده پراش گفته می‌شود. هر چقدر اندازه روزنه در مقایسه با طول موج نور کوچک‌تر باشد، این پدیده شدیدتر می‌شود. به‌ علت تداخل امواج نور، برخی از این شعاع‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند و برخی به هم اضافه می‌شوند. اگر روزنه عبور نور دایره‌ای شکل باشد، این پدیده باعث ایجاد الگویی به شکل (5) می‌شود که دیسک ایری نامیده می‌شود.

شکل 5- دیسک‌های ایری

اندازه دیسک ایری (یا به‌طور دقیق‌تر قطر اولین دایره سیاهرنگ آن) به دو عامل، اندازه روزنه و طول موج نور بستگی دارد. اندازه دیسک‌های ایری که با طول موج 400 نانومتر تشکیل می‌شود، بسیار بزرگ‌تر از آن است که بتوان فاصله‌های کمتر از 100 نانومتر را مشاهده کرد. همان‌طور که گفتیم طول موج‌های کمتر از 400 نانومتر نیز مرئی نیستند و نمی‌توان برای دیدن از آنها استفاده کرد.
برای حل این مشکل خانواده جدیدی از میکروسکوپ‌ها ساخته شده‌اند که در آنها به جای پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی استفاده می‌شود. نحوه کار میکروسکوپ‌های الکترونی بسیار شبیه میکروسکوپ‌های نوری است با ذکر این نکته که موج پرتوهای الکترونی بسیار کمتر از پرتوهای نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی به دو دسته میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM) تقسیم می‌شوند.
با استفاده از میکروسکوپ TEM که بسیار شبیه به میکروسکوپ‌های نوری عمل می‌کند، اجسامی با اندازه چند آنگستروم (10-10متر) را نیز می‌توان مشاهده کرد. وضوح تصویر در این میکروسکوپ هزار برابر بیشتر از میکروسکوپ نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی سطح نمونه را با پرتوهای پرانرژی الکترون روبش می‌کنند (روبش از مصدر روبیدن به معنی جارو کردن گرفته شده است، زیرا کار پرتوهای الکترون در اینجا شبیه کار یک جارو است). SEMها تصویر جسم مورد نظر را 10 تا 10000 برابر بزرگ می‌کنند و قدرت تفکیک آنها در حد چند نانومتر است.

شاید جالب باشد که بدانید میکروسکوپ‌های بسیار قوی‌تری وجود دارند که اجسام را به وسیله نور و یا الکترون نمی‌بینند؛ بلکه آنها از طریق لمس‌کردن سطح نمونه، جسم را مورد مطالعه قرار می‌دهند.
این میکروسکوپ‌های قوی که میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی (Scanning Probe Microscope) نام دارند و به اختصار SPM خوانده می‌شوند، به طور گسترده‌ای برای مشاهده و تعیین مشخصات نمونه‌های نانومتری به کار می‌روند.
در این میکروسکوپ‌ها، یک قطعه فیزیکی به صورت مکانیکی بر سطح نمونه حرکت می‌کند و آن‌را خط به خط و نقطه به نقطه جارو می‌کند و می‌روبد. اصطلاحا گفته می‌شود که سطح را می‌پیماید، به همین دلیل به این قطعه پیمایشگر گفته می‌شود. برای اینکه تصویر سطح نمونه را تهیه کنند، مکان پیمایشگر را ثبت می‌کنند. آیا می‌دانید چه چیز باعث تغییر مکان پیمایشگر می‌شود؟ برای یافتن پاسخ این سوال بهتر است عملکرد دو میکروسکوپ پیمایشگر را به‌عنوان نمونه بررسی کنیم.
میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) اولین عضو خانواده میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی است. این میکروسکوپ با استفاده از یک سوزن بسیار ریز تنگستنی (که در اینجا نقش پیمایشگر را بازی می‌کند)، اجسام را مشاهده می‌کند. البته سطح جسمی که زیر STM قرار می‌گیرد، باید رسانا باشد. زمانی‌که سوزن این میکروسکوپ در فاصله 1 نانومتری سطح رسانای جسم قرار می‌گیرد، بر اثر یک پدیده کوانتومی جریانی از الکترون‌ها بین نوک سوزن و سطح رسانا برقرار می‌شود. به این پدیده ”تونل زدن“ گقته می‌شود. هر چه نوک سوزن به سطح نزدیک شود، جریان قوی‌تر می‌گردد. اگر فاصله سوزن نسبت به یک نقطه مشخصی از سطح ثابت باشد، با حرکت آن بر روی سطح و با توجه به پستی و بلندی‌های سطح، شدت جریان تونلی تغییر می‌کند. برای دیدن یک جسم نانومتری، سوزن میکروسکوپ را بر تمامی نقاط سطح حرکت می‌دهند و شدت جریان تونلی را بوسیله رایانه در نقاط مختلف ثبت می‌کنند. با کمک داده‌های ثبت شده، یک شکل سه بعدی از جسم به‌دست می‌آید.
در میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی برای تهیه تصویر سطح نمونه از یک برهم‌کنش فیزیکی استفاده می‌کنند. در STM این برهمکنش جریان تونلی است و در میکروسکوپ دیگری به نام "میکروسکوپ نیروی اتمی" این برهم‌کنش نیروی بین اتمی است. میکروسکوپ نیروی اتمی یا AFM، میکروسکوپ دیگری است که پس از STM ساخته شد. عملکرد AFM تا حدودی شبیه به STM است با این تفاوت که این میکروسکوپ به جای استفاده از شدت جریان تونلی، نیروی بین اتمی میان اتم‌های سطح سوزن و اتم سطح جسم را معیار قرار می‌دهد. AFM کاربری بسیاری برای مشاهده مواد و اشیاء زیستی دارد.
میکروسکوپ‌های الکترونی و میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی مهم‌ترین ابزارهای ما برای کار کردن در مقیاس نانومتر هستند. در مقاله‌های بعدی با این تجهیزات بیشتر آشنا خواهیم شد.

باشگان نانو