Tiskane izdaje
V zadnjih nekaj letih so 3D-tiskalniki postali izjemno priljubljeni, saj je njihova cena končno toliko padla, da so postali dostopni splošni množici. Poleg tega pa je na spletu mnogo brezplačne programske opreme, s katero oblikujemo poljubne 3D-objekte.
Prvotni namen 3D-tiskalnikov je bila izdelava industrijskih prototipov. In ker človeška domišljija nima meja, danes s 3D-tiskalniki tiskajo vse mogoče: na primer orodja z vrtljivimi sestavnimi deli, celotne hiše, hrano ter najpomembnejše, celo človeške organe.
Poseben 3D-tiskalnik, ki lahko deluje v breztežnosti, so namestili tudi na Mednarodno vesoljsko postajo, kar jim omogoča, da si lahko tako natisnejo rezervni del in jim ni treba več čakati tri mesece na naslednjo dostavo rezervnih delov z raketo.
Po drugi strani pa še ni videti znamenja, da bi se v splošni uporabi kaj kmalu znašli stroji z numeričnim krmiljenjem (tako imenovani CNC-stroji). CNC-stroji so sicer že dolgo nepogrešljiv pripomoček v najrazličnejših vejah industrije. Podobno kot 3D-tiskalniki tudi ti sledijo računalniškim ukazom in tako žagajo, režejo, stružijo ali kako drugače obdelujejo različne (predvsem kovinske) materiale. In podobno kot s 3D-tiskalniki je tudi z njimi mogoče izdelati nešteto različnih stvari.
Skratka, v nasprotju s 3D-tiskalniki, ki stvari izdelujejo z dodajanjem materiala, CNC-stroji končni izdelek izdelajo z odstranjevanjem materiala iz obdelovanca. Pri tem se človek vpraša: »Kaj, ali ne bi bilo lepo, če bi lahko združili lastnost 3D-tiskalnikov (dodajanje materiala) in CNC-strojev (odstranjevanje materiala) v en sam stroj?«
No, verjeli ali ne, nekaj podobnega imamo v Centru odličnosti nanoznanosti in nanotehnologije na lokaciji Instituta Jožef Stefan. Gre za vrstični elektronski mikroskop s tehniko fokusiranega ionskega curka (angl. focused ion beam) ali krajše FIB.
Vrstični elektronski mikroskop s tehniko fokusiranega ionskega curka v Centru odličnosti nanoznanosti in nanotehnologije na lokaciji Instituta Jožef Stefan. Foto: Bojan Ambrožič
Pogled v komoro za vzorce nam razkrije, za kako zapleteno napravo gre.
Kolona mikroskopa z detektorji elektronov, energijskim disperzijskim spektrometrom rentgenskih žarkov, sistemi za vpihavanje plina ter ionsko kolono ob strani.
FIB je v osnovi vrstični elektronski mikroskop (SEM). Njegova posebnost pa je, da ima poleg elektronske kolone tudi ionsko. V ionski koloni je nameščena ionska puška, ki ustvarja curek visokokoherentnih ionov s premerom okoli enega nanometra. Kot izvor ionov se običajno uporablja element galij. Galij je ena najbolj zanimivih kovin, saj ima tališče pri temperaturi le 30 stopinj Celzija, kar je enako kot čokolada. Kot zanimivost, tako kot čokolada, ki se stopi pri temperaturi naših ust, se tudi galij stopi, takoj ko ga primemo v roke (klik).
Galijeve ione v ionski koloni potem pospešujemo z zaporedjem elektromagnetnih leč. Potem pa jih z drugim zaporedjem leč usmerjamo v vzorec, kjer se zgodi nekaj nepričakovanega. Ker imajo galijevi ioni okoli 40.000-krat večjo kinetično energijo od elektronov, povzročajo izbijanje atomov iz površine vzorca. Na ta način lahko lokalizirano jedkamo (»žagamo«) vzorec z ločljivostjo v nanometrskem področju.
Tako kot CNC-stroj, ki žaga obdelovanec, tudi mi s FIB lahko žagamo vzorce. Le da smo s to metodo približno tisočkrat bolj natančni. V praksi to pomeni, da je mogoče izdelati mikroskopsko majhne mehanske sestavne dele: na primer zobata kolesca, vijake in matice. Na enak način je mogoče tudi označevati vzorce ali se nanje podpisati. Ker je ločljivost FIB v nanometrskem območju, se je mogoče brez težav podpisati tudi na človeški las.
Izjedkan napis s FIB na površini stekla.
Nd-Fe-B magnet pred jedkanjem s FIB.
Jedkanje magneta bolje razkrije njegovo notranjo strukturo.
Možno pa je iti še korak dlje. S FIB je mogoče v zaporedju narediti več zelo tankih prečnih presekov, ki jih potem združimo v računalniški 3D-model vzorca (tako imenovana FIB-tomografija). V sam proces lahko vključimo tudi energijsko disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (EDS), s katero dobimo tudi 3D-model kemijske sestave vzorca.
Vendar se tu zgodba o tem, kaj vse je mogoče početi s FIB, šele začne. Kot sem namignil že na začetku, je FIB tudi neke vrste 3D-tiskalnika na nano nivoju. Kako je to mogoče? V mikroskop, s pomočjo posebnih cevk, dovajamo majhne količine različnih plinov, ki vsebujejo platino ali zlato. Ko plin (npr. C7H17Pt ali C7H7F6O2Au) obstreljujemo z ionskim curkom, ta razpade. Platina/zlato pa se adsorbira na površino substrata, točno na tistem mestu, kjer v danem trenutku vrstičimo z ionskim curkom.Na ta način lahko zelo natančno oblikujemo poljubne 3D-strukture, tako kot v 3D-tiskalnik. Le da tu lahko izdelamo stvari, ki so velike (majhne) le nekaj nanometrov. Pred časom so laboratoriji tekmovali v tem, kdo bo izdelal kaj najmanjšega: tako so nastali najmanjši snežak in najmanjša vesoljska ladja Enterpreise ter še mnogo drugega.
Nanomanipulator (levo) in cevka, s katero dovajamo plin v mikroskop (desno).
Seveda FIB ni bil izdelan, da bi z njim delali snežake, ampak ima nepogrešljivo uporabno vrednost. V našem laboratoriju smo tako izdelali miniaturna vezja. Platina in zlato sta kovini z odlično električno prevodnostjo ter tako kot nalašč za električna vezja. Prav tako imamo možnost nanašanja kremenice.Kremenica je električni izolator. Torej imamo v našem inštrumentu možnost nanašanja tako električno prevodnih materialov kot tudi električnih izolatorjev, iz katerih lahko izdelamo vezja.
Električno vezje iz platine, ki smo ga izdelali na Institutu Jožef Stefan.
Skratka, zdaj smo zgradili mikroskopsko majhne sestavne dele. Jih lahko skupaj sestavimo? Seveda! Klasična pinceta zagotovo ne bo dovolj natančna, da bi z njo lahko prijeli tako majhne stvari. Zato je v FIB vgrajen poseben nanomanipulator, s katerim stvari lahko zagrabimo in prenesemo na drugo mesto.
Gre za volframovo iglo, ki je na koncu debela le sto nanometrov. Na iglo element, ki ga želimo dvigniti, privarimo s plastjo platine. Če pa želimo element spustiti, pa ga preprosto odrežemo z ionskim curkom. V resnici je to prenašanje elementov zelo podobno računalniški igrici. Potrebni sta le zelo dobra prostorska predstava in koncentracija.
Nanomanipulator v uporabi med preiskavami meteorita Jesenice.
Lahko povzamemo, da je tehnika fokusiranega ionskega curka ena tistih tehnik, ki je od stopnje znanstvene fantastike do popolne nepogrešljivosti prešla v zgolj nekaj letih. Glavna pomanjkljivost te tehnike trenutno je, da v razumnem času lahko izdelamo lahko le do največ 50 mikrometrov velike stvari, ter velika počasnost.
Vendar tehnologija hitro napreduje tudi na tem področju in v prihodnosti je mogoče pričakovati, da bo s FIB mogoče preiskovati tudi večje vzorce. Tako se na primer počasi uveljavlja tehnika, imenovana plasma FIB, ki omogoča izdelave vzorcev do velikost enega milimetra.
***
Bojan Ambrožič je magister inženir geologije, zaposlen na Institutu Jožef Stefan in avtor spletnega bloga, ki ga piše izključno iz močne strasti in veselja, pa tudi zato, ker mu omogoča, da ima »v lasti« majhen košček interneta, kjer je svoboden.
