12. 12. 2007
Copak se asi skrývá na povrchu? To zajímá hlavně odborníky při výrobě čipů, kteří si ověřují kvalitu výrobního postupu. Zajímá to ale i astronomy, kteří chtějí určit původ meteoritu. Nebo to potřebují vědět technologové jaderných elektráren. Povrch trubek chladicího okruhu prozradí, kdy je třeba okruh vyměnit a předejít tak možné havárii. Jedním z nejdokonalejších způsobů, jak zjistit a změřit chemické složení povrchu, je supercitlivá metoda zvaná SIMS (hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů), kterou v současné době jako jediní u nás používají na katedře fyziky Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem.
Metoda SIMS patří k nejdokonalejším způsobům, jak změřit chemické látky na povrchu. Principem metody SIMS je „ozařování“ povrchu analyzovaného vzorku proudem urychlených iontů. Jako salva kulek z kulometu vyrazí z materiálu atomy nebo shluky atomů do prostoru nad vzorkem.
Vyražené atomární částice pak elektrické pole urychlí a ohne. Silný magnet atomy jednotlivých prvků oddělí, takže každý letí po odlišné trase. Atomy potom procházejí speciálním filtrem, ve kterém se roztřídí podle hmotností. Tím se vlastně každá vyražená částice určí a spočítá, takže se vědci dozví chemické složení povrchu vzorku. Nesmírnou výhodou metody je, že takto lze změřit všechny prvky a izotopy periodické soustavy.
RNDr. Jan Lorinčík, CSc., Přírodovědecká fakulta UJEP, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR: Metoda SIMS má ohromné přednosti proti ostatním chemickým a fyzikálním metodám. Především je to extrémně vysoká citlivost. Dokážeme zjistit jeden nanogram cizího prvku v jednom gramu vzorku.
Tato metoda je také jednou z mála, která umí změřit vodík v pevných látkách. Vodík je důležitou součástí struktury slunečních článků. U některých článku se totiž používá amorfní křemík, do kterého se přidává vodík, aby zlepšil elektrické vlastnosti. Metoda SIMS dokáže určit množství dodaného vodíku, má však i mnohem širší využití.
RNDr. Jan Lorinčík, CSc., Přírodovědecká fakulta UJEP, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR: Toto je část trubičky ze speciální zirkonové slitiny, která se používá v českých jaderných elektrárnách. My dokážeme analyzovat kyslík a vodík na povrchu této trubičky. To umožňuje předpovědět stupeň koroze a křehnutí a technologové potom mají dostatek informací a vědí, kdy mají takovou trubičku vyměnit.
SIMS je nyní standardní analytická metoda rozšířená prakticky ve všech technologicky náročných oborech. Její rychlé zdokonalování nejvíce podporoval polovodičový průmysl, ale chopily se jí i další specializace. Na vývoji nové generace přístrojů SIMS specializovaných na vesmírný výzkum se podílí i doktor Lorinčík.
Fyzikům se do rukou dostal nástroj, který umožňuje nahlédnout do neprobádaných fyzikálních procesů, které nastávají při bombardování povrchu ionty. Nové poznatky pak zase mohou přispět ke vzniku zcela nových technologií. Nevýhodou metody je však skutečnost, že analýza musí probíhat ve vysokém vakuu. Vědci tedy mohou zkoumat pouze netěkavé látky v pevném stavu.
RNDr. Jan Lorinčík, CSc., Přírodovědecká fakulta UJEP, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR: Další nevýhodou může být, že místo na povrchu vzorku, které jsme již jednou analyzovali, nelze analyzovat podruhé.
Na tomto vzorku vidíte ve velkém zrychlení vznik mikrokráteru čtvercového průřezu, který vzniká bombardováním povrchu ionty césia. Kráter je veliký
500 mikrometrů a ke konci bude hluboký jeden mikrometr. Tím se z toho místa jednou provždy odstranila analyzovaná část vzorku. Pokud by vědci chtěli analýzu opakovat, museli by najít jiné místo na jeho povrchu. Mezitím počítač zaznamenával signál atomů, které vylétly z tohoto kráteru. Vědci si předem nastavili druhy atomů, které chtějí sledovat. Každý bod na tomto grafu odpovídá množství atomů vyrážených z určité hloubky kráteru.
Někdy ale mají na tomto pracovišti zjistit, jaké chemické prvky se na povrchu vzorku vůbec nachází. Pak je možné sejmout toto přehledové hmotnostní spektrum. Píky odpovídají různým prvkům nebo molekulám. Tady vidím čáru na hmotnosti 31 – a jak si každý může najít v tabulkách – jedná se o fosfor.
Vědci jsou také často žádáni, aby zjistili, jak je určitý prvek rozložený podél povrchu vzorku. Jinými slovy – zadavatel chce, aby sejmuli tzv. chemickou mapu. Skvrny tu ukazují místa, kde se uvnitř indium fosfidu nachází železo ve zvýšené koncentraci.
Poptávka po SIMS analýzách je v České republice nesmírně vysoká, nicméně metoda je drahá – například hodina měření u zahraniční firmy přijde na více než sedm tisíc korun, což si většina firem nebo výzkumných organizací nemůže dovolit.
RNDr. Jan Lorinčík, CSc., Přírodovědecká fakulta UJEP, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR: Bohužel, v České republice je pouze jediný komerční přístroj tohoto typu, a to je náš SIMS. To znamená, že kapacitně nedokážeme pokrýt potřeby české vědy – nejen to. Nedokážeme je pokrýt ani kvalitativně.
Vědci by potřebovali další podobný přístroj, ale založený na jiné konstrukci. Pokud ho nezískají, nebudou se moci zapojit do světového výzkumu. Jen díky zdokonaleným přístrojům lze totiž zjistit poměr izotopů kyslíku 17 a 18, ze kterého se pozná, jestli daný materiál pochází ze sluneční soustavy nebo mimo ni.
Také v kriminalistice potřebujeme nový typ spektrometru pro izotopickou analýzu úlomků roztříštěných kulek, ze které by se určil výrobce materiálu.
Metoda SIMS je důležitá i pro ekologii – umí analyzovat prachové částice a monitorovat tak šíření škodlivých prvků v přírodě. Umožňuje také prověřovat dodržování úmluvy o nešíření jaderných zbraní. Nad místem podzemního jaderného výbuchu přeletí letadlo a nabere prachové částice, z nichž se zjistí poměr uranu 235 a 238.
Vědci v zahraničí již umí také zjistit, z jakých prvků a izotopů se skládá Slunce. Nedávno se vrátila na Zemi americká sonda GENESIS, která dva roky parkovala před Sluncem a zachytávala částice, které Slunce vyvrhávalo. Dosud jsme mohli určovat složení Slunce jen nepřímo, pomocí metody, kterou za chvíli ukáže Michael ve svém experimentu. Sonda Genesis ale umožnila zjistit složení Slunce přímo.
Celkové množství částic slunečního větru se odhaduje na množství odpovídající několika zrnkům písku. Nyní tyto vzorky měří v pozemských laboratořích NASA – a to právě zdokonalenou metodou SIMS. Kosmochemici předpokládají, že výsledky budou překvapivé a objevné.
