Veszprémi Tamás

Általános kémia

Negyedik, átdolgozott kiadás

4. kiad.

10.3.6. Ki látott már atomot?

Láthatjuke egyáltalán ezeket az izgőmozgó, pöttömnyi fickókat? A kérdésre ma már határozott igen a válasz. Persze nem nagyítóra, még csak nem is egyszerű mikroszkópra kell gondolnunk. 1981ben fejlesztették ki az ún. pásztázó alagútmikroszkópot (Scanning Tunneling Microscope, STM. Gerd Binning és Heinrich Rohrer – Nobeldíj: 1986). Ennek lényegét a 10.36. ábra segítségével érthetjük meg. Egy rendkívül finom platinairídium ötvözetből vagy volfrámból készült tű – mely egyetlen atomban végződik – és az alatta elhelyezkedő vizsgálandó minta között állandó potenciálkülönbséget hozunk létre. A kettő nem ér egymáshoz, közöttük néhány tized nm állandó távolság van. A csúcs és a minta közötti ún. alagútáram függ a csúcs görbületi sugarától és pozíciójától, a mintától való távolságtól, az alkalmazott potenciálkülönbségtől, valamint a minta helyi elektronsűrűségétől. Ahogy végigpásztázzuk a felületet, az alagútáram finoman változik. Ebből a változásból rekonstruáljuk a felületi egyenetlenségeket és ennek megfelelően az atomok elhelyezkedését. Az eszköz felbontóképessége 0,1 nm, vagyis segítségével láthatóvá válnak a felület atomjai, sőt, képesek vagyunk még az egyes atomok finom mozgatására is (10.36/b. ábra és You Tube: Surface studies with a scanning tunneling microscope) is.

10.36. ábra. a) A pásztázó alagútmikroszkóp elve és b) szerves félvezető molekulák STM-képe

(Forrás: Wikipédia, License: Public Domain). A felirat úgy készült, hogy az STM-tűt bizonyos pontokon közelebb nyomták a felülethez, ezáltal a tű hegye alatti molekulák arrébb mozdultak.

Az STM legnagyobb hiányossága, hogy csak vezető anyagokat képes mérni. 1986ban aztán Binnning és munkatársai felépítették az első atomerő mikroszkópot (Atomic Force Microscope, AFM), amely szigetelő anyagok felületének vizsgálatára is alkalmas. Itt a finom tű utolsó atomja „érzi” a felület legközelebbi atomjainak picinyke taszító, illetve vonzó erőit. Pontosan azokról az erőkről van szó, melyek a kölcsönható atomok között hatnak. Az AFMben kétféleképpen mérhetünk. Vagy állandó erővel nyomjuk a felület felé (de nem a felületre!) a tűt és mérjük a felület és a tű közötti távolságot, amely tehát függ a tű és a felület közötti kölcsönhatástól, vagy a másik lehetőség az, hogy a tűt a felülettől állandó távolságban húzzuk, miközben a tűre ható erőt mérjük. Menet közben feltérképezzük az elektronsűrűség eloszlását a molekulák felületén és ezáltal a molekulát adó komponens atomokat. A tű segítségével még finom áramlökéseket is adhatunk az egyes molekuláknak, ezáltal például átrendeződéseket, izomerizációs reakciókat is előidézhetünk, illetve tanulmányozhatunk (Science, 377. kötet, 6603. oldal, 2022).

10.37. ábra. Az atomerő mikroszkóp elve. Ahogy a tű áthalad az egyes felületi göcsörtökön, a lézer, majd a fotodióda érzékeli a tű finom mozgását. Az elektronika feldolgozza az így kapott jelet és lépteti tovább a tűt.

Mártótollas nanolitográfia

Höltzl Tibor

Mi egyébre lehetne még használni egy pásztázó tűszondás eszközt? Például mártsuk tintába és írjunk vele! Így jutunk el a mártótollas nanolitográfiához. Ez az eljárás ma még kísérleti stádiumban van, de koránt sem lehetetlen, amint ez a 10.38. ábrán látható. A „tinta” molekulái a tűről egy nagyon kicsi cseppecskén keresztül jutnak a felületre és rögtön ott ragadnak. A kérdés csak az, hogy mire és mivel írjunk? Az ábra a legelterjedtebb megoldást mutatja.

10.38. ábra. Mártótollas nanolitográfia és a tioltinta szerkezete. A tiolcsoport kapcsolódik az aranyfelülethez, a pirossal jelölt csoport okos megválasztása számos alkalmazáshoz vezethet.

Ebben az esetben aranyfelületre tiol„tintával” írunk. A tiolok –SHcsoportokat tartalmazó szerves vegyületek. A tömbi arany meglehetősen inert, ezért is hívjuk nemesfémnek. A tiolcsoport azonban redoxireakcióval erősen kapcsolódik a felületi aranyatomokhoz:

R–SH + Au(0)felület = Au(1)felület–S–R + 1/2 H2

Az oldallánc többnyire apoláris –CH2csoprtokból áll. Az aranyfelületen az egymás melletti molekulák oldalláncai Van der Waalskölcsönhatásba lépnek, ami egy önszerveződő, egyetlen molekula vastagságú réteg keletkezéséhez vezet (10.38. ábra). A lánc végén lévő csoportot az adott alkalmazásnak megfelelően választják meg. Hogy mit lehet ezzel a módszerrel csinálni? Kis töprengés után lehetőségek egész tárháza tárul elénk. Nyomtathatunk például szuperhidrofób felületet, vagy egyszer talán egész gyárat is egy kis felületre.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

Nyomtatott megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 114 6

Kémia

A kémiának számos ága létezik (szerves, szervetlen, fizikai, analitikai, bio- és polimer-kémia stb.), de általános kémia nevű diszciplínát nem ismerünk. Mégis: a General Chemistry, Allgemeine Chemie, Общая химия kifejezések jól ismertek az egész világon. A világ minden részén százszámra találhatók ilyen címmel könyvek, és aligha van olyan egyetemi kémia fakultás, ahol ez a tantárgy ismeretlen. Az általános kémia kurzusok és könyvünk célja az, hogy az olvasó középiskolából hozott kémiai ismereteit olyan szintre segítse, amelyre a fenti szaktárgyak alapozhatnak. Feladata az alapfogalmak definiálása, mintegy a kémiai nyelv alapszókincsének megismertetése, a fontosabb fizikai és kémiai jelenségek és összefüggések megvilágítása.

A könyv több – tipográfiailag is elkülönített – szinten használható. Anyaga a középiskolai kémiától elvezet az egyetemek másod- és harmadéves fizikai kémia tárgyáig. A fontos jelenségek mellé a haladók számára mélyebb magyarázatokat mellékel, melyeket a kezdők nyugodtan átugorhatnak anélkül, hogy ez gátolná a fő gondolat-menet megértését. Az olvasót számos érdekesség, tudománytörténeti kitekintés, rengeteg színes ábra, fénykép és több száz kidolgozott példa is segíti.

Könyvünk elsőrendű célja tehát adott: bevezetés vagy inkább átvezetés a felsőfokú kémiába. A megcélzott olvasókör is adott: érdeklődő középiskolásoknak éppúgy szól, mint első- és másodéves, kémiát tanuló egyetemi hallgatóknak. Emellett ajánlható a középiskolák kémiatanárainak is: számos, a középiskolákban is könnyen használható anyagot tartalmaz – másként, mint ahogyan a középiskolákban általában tanítani szokás. Végül, de nem utolsósorban ajánljuk a könyvet mindazoknak, akik bármikor, bármilyen szinten belekóstoltak vagy belemerültek a kémia izgalmas világába.

Hivatkozás: https://mersz.hu/altalanos-kemia-uj//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero