Ivan Štich: Zobrali sme atómy a manipulovali nimi

„Japonský kolega ukázal na konferencií svoje experimentálne výsledky a oslovil ma,“ hovorí o výskume manipulovania atómov IVAN ŠTICH z Fyzikálneho ústavu SAV.

(Zdroj: SME – VLADIMÍR ŠIMÍČEK)

Koho to bol nápad urobiť takýto výskum?

Väčšina vedeckých spoluprác nevzniká plánovite, tak ako si to často predstavujú napr. grantové agentúry, ale spontánne, tak, že ľudí zaujme nejaký problém. V tomto konkrétnom prípade ukazoval japonský kolega, profesor Sugawara z Osaka University na konferencií svoje experimentálne výsledky. Oslovil ma, či by sme nemohli ako teoretici skúsiť namodelovať, čo oni merajú.

Prečo teória?

Táto oblasť, zobrazovanie a manipulácia atómov na povrchoch mikroskopmi s atomárnou rozlišovacou schopnosťou, je charakteristická tým, že experimentálny výsledok sa obvykle plne pochopí až po porovnaní s výsledkami počítačového modelovania opäť na atomárnej škále. Tento náš rozhovor počul aj profesor Kantorovich z King’s College London. Aj jeho to zaujalo, a tak vznikla trojspolupráca Osaka-Londýn-Bratislava. Samozrejme, všetci sme sa z videnia na konferenciách poznali už predtým.

Článok pokračuje pod video reklamou

Ako výskum podelený medzi rôzne pracoviská prebiehal?

Delenie výskumných aktivít vyplýva už z toho vyššie povedaného. Na začiatku boli experimenty, ktoré boli všetky prevedené na univerzite v Osake. Našou úlohou, ako aj úlohou King’s College London, bolo počítačové modelovanie na atomárnej úrovni, teda za použitia kvantovej a štatistickej fyziky.

Prečo?

Kvantovomechynický popis je potrebný z dôvodu, že študujeme interakcie na úrovni jednotlivých atómov. Štatistickú fyziku potrebujeme zase preto, že viaceré procesy, ktoré vedú k manipulácií sú procesy aktivované oscilujúcim hrotom nad povrchom vzorky a určitá časť týchto procesov prebehne až po rádovo 109 pokusoch, teda osciláciách hrotu.

Výsledkom našej práce bol pomerne komplexný, 4-stavový model, ktorý plne vysvetľuje experimentálne pozorovania a ktorý pozostáva z 3 súčastí; analytickej formuly na výpočet pravdepodobnosti manipulácie, určenia bariér separujúcich jednotlivé stavy metódami elektrónovej štruktúry z prvých princípov a zo štatistického modelu oscilujúceho hrotu nad vzorkou, ktorý nám dáva výsledné pravdepodobnosti manipulácie.

Prečo je dôležité vedieť takto manipulovať s atómami a ako by sa to dalo využiť?

Manipulácia s individuálnymi atómami je jedným zo spôsobov budovania nanoštruktúr „bottom up” na povrchoch tuhých látok. Dokážeme tak vytvoriť systémy, ktoré nemusia existovať v prírode, a môžu mať užitočné vlastnosti. V našom prípade takto dokážeme „písať” atómami medi na zoxidovanom povrchu medi.

Vieme vytvárať 1-dimenzionálne štruktúry z Cu atómov na vrstve zoxidovaného povrchu medi, ktorá je polovodivá a ktorá sa nachádza nad kovovou štruktúrou objemovej medi. Nazýva sa to dip-pen nanolitografia, ktorá sa ale v našom prípade realizuje na atomárnej úrovni. Schopnosť takéhoto vytvárania nanštruktúr à la carte je dôležitá už z princípu; napríklad na vytvorenie magnetických nanoštruktúr pre použitie v spintronike, kvantovom počítaní atď.

Výskum ukázal, že počas procesu sa nemení štruktúra hrotu mikroskopu a nemenia sa ani výsledné snímky. To je ako možné?

Toto bola naozaj na prvý pohľad dosť prekvapivé. Študovali sme takzvané vertikálne manipulácie, teda extrakciu atómov medi z povrchu do hrotu mikroskopu a naopak, depozíciu atómov medi z hrotu na povrch. Z našich iných štúdií sme vedeli, že hrot musí byť zakončený kyslíkovým atómom. Naivne sme si predstavovali, že ak dôjde napríklad k extrakcii atómu medi z povrchu do hrotu, zmení sa chemická identita hrotu, ktorý po extrakcií bude teraz ukončený atómom medi. V takom prípade by sa samozrejme zmenil aj obraz povrchu pri jeho skenovaní takýmto hrotom. Experiment, však ukázal, že tomu tak nie je a náš model vysvetlil prečo.

A teda prečo?

Pre atómy medi je totiž energeticky výhodnejšie difundovať po kónickom tele hrotu a adsorbovať na ňom, ako vytvoriť medené ukončenie apexu hrotu.

Prečo ste si vybrali práve atómy medi?

To opäť nebolo prvoplánové. Naši experimentálni partneri z Osaky študovali zoxidované povrchy medi najmä pre ich aplikačný potenciál ako materiál pre elektroniku a katalýzu. Pri štúdiu týchto systémov pozorovali spontánnu manipuláciu atómov medi. Systematické štúdium ukázalo, že atómy je možné manipulovať „kontrolovaným” spôsobom, nakoľko je to u stochastických systémov možné tak, že výsledkom je vytvorenie požadovanej nanoštruktúry.

Prečo pridávanie atómu bolo ľahšie (pravdepodobnejšie) ako odoberanie a čo to znamená?

To je opäť niečo, čo aspoň na prvý laický pohľad prekvapí. Laik očakáva, že ak sa obráti postupnosť krokov, ako v našom prípade, oba výsledky budú rovnako pravdepodobné. V skutočnosti tomu ale tak nie je a energetické bariéry pre priame a reverzné procesy nie sú rovnaké. V našom konkrétnom prípade sa ukázalo, že pri extrakcii atómov z povrchu do hrotu extrakcia atómov medi prebieha len vo veľmi úzkom rozsahu vzdialeností hrot-vzorka, pričom pri opačnom procese tomu tak nie je.

A prečo sa atóm medi vyšplhal po ihle nahor a nenakopia sa tam tieto atómy?

Pre atómy medi je energeticky výhodnejšie difundovať po hrote, ako sa akumulovať pri apexe hrotu. Toto v podstate určuje “chémia” systému.

Tento váš nový teoretický model sa dá využiť aj na opis ďalších problémov?

Model, ktorý sme vyvinuli pre takzvané vertikálne manipulácie atómov, je úplne obecný a je možne ho použiť v podstate na akýkoľvek proces atomárnej prípadne molekulárnej manipulácie, napríklad na procesy takzvanej laterálnej manipulácie hrotom mikroskopu.

Model ma tri súčasti: analytickú matematickú formulu pre pravdepodobnosť manipulácie, výpočet energetických bariér medzi jednotlivými stavmi v procese manipulácie a štatistické modelovanie metódou silne modifikovaného kinetického Monte-Carla, ktoré dáva pravdepodobnosti potrebné pre výpočet výslednej pravdepodobnosti manipulácie.

Takáto metóda ešte nebola použitá na popis manipulácie atómov SPM mikroskopom, a preto otvára úplne nové možnosti detailného pochopenia stochastických atomárnych manipulačných procesov.

Chcete dostať upozornenie na najnovší článok tohto autora?
Objednajte si notifikáciu priamo na váš e-mail.
Odoberať autora na email

Najčítanejšie na SME Tech

Téma: Rozhovory z denníka SME


Hlavné správy zo Sme.sk

Autorská strana Ondreja Podstupku

Ako vyhrať hádku s ľuďmi, ktorí neveria vo vedu

Ako vyhrať hádku s ľuďmi, ktorí neveria vo vedu.

EKONOMIKA

Google dostal od Komisie pokutu v rekordnej výške 4,3 miliardy

Google mal zneužívať dominantné postavenie systému Android.

Neprehliadnite tiež

PODCAST ZOOM

Zoom: Čo robiť, aby mali lekári lepšie výsledky

Empatickí lekári pomáhajú pacientom.

Inzercia - Tlačové správy

  1. Infografika: Slováci minuli na Pohode historicky najviac peňazí
  2. S kreditkou začína pohodová dovolenka už na letisku
  3. Zmrzlina v Mekáči má u nás kratšiu záruku ako v Rakúsku. Prečo?
  4. Aká je ideálna vlhkosť a teplota v byte? Výskum hovorí jasne
  5. Veríte brusniciam pri zápaloch močových ciest? Nemusia stačiť
  6. Dobrú chuť: Letné šaláty a bizarné praktiky food fotografie
  7. Vyberiete si radšej romantický Paríž alebo slnečné Nice?
  8. O asistovanej reprodukcii sa šíri množstvo zavádzajúcich tvrdení
  9. Pivovar Šariš rozdá tisíce eur, o časti peňazí rozhodnú ľudia
  10. Volkswagen Golf GTI TCR naživo na Slovakia Ringu!
  1. OMV robí dovolenku pre vodičov oddychom
  2. OMV robí dovolenku pre vodičov oddychom
  3. S kreditkou začína pohodová dovolenka už na letisku
  4. Zmrzlina v Mekáči má u nás kratšiu záruku ako v Rakúsku. Prečo?
  5. Dubravské Čerešne majú sladké prekvapenie pre najrýchlejších!
  6. Aká je ideálna vlhkosť a teplota v byte? Výskum hovorí jasne
  7. Veríte brusniciam pri zápaloch močových ciest? Nemusia stačiť
  8. Infografika: Slováci minuli na Pohode historicky najviac peňazí
  9. Vyberiete si radšej romantický Paríž alebo slnečné Nice?
  10. Dobrú chuť: Letné šaláty a bizarné praktiky food fotografie
  1. Aká je ideálna vlhkosť a teplota v byte? Výskum hovorí jasne 22 559
  2. Infografika: Slováci minuli na Pohode historicky najviac peňazí 16 977
  3. Zmrzlina v Mekáči má u nás kratšiu záruku ako v Rakúsku. Prečo? 15 861
  4. Dobrú chuť: Letné šaláty a bizarné praktiky food fotografie 11 774
  5. Vyberiete si radšej romantický Paríž alebo slnečné Nice? 8 789
  6. Ulovte si last minute dovolenku so zľavou do 70% 4 515
  7. O asistovanej reprodukcii sa šíri množstvo zavádzajúcich tvrdení 4 156
  8. Pivovar Šariš rozdá tisíce eur, o časti peňazí rozhodnú ľudia 3 290
  9. Veríte brusniciam pri zápaloch močových ciest? Nemusia stačiť 2 307
  10. Iná tvár Mexika: Nocovanie s Indiánmi, dobrodružstvo v džungli 2 079