Pionir elektronske mikroskopije in letalstva

Profesor doktor Aleš Strojnik je bil najprej inženir in iznajditelj, ob tem pa je bil tudi samotar na način, da si je vzel obilo časa za branje o novih iznajdbah in razmišljanje, kako bi jih uporabil za izboljšavo instrumenta, ki mu je v tistem trenutku posvečal pozornost. Znanje in ljubezen do znanosti je delil v približno petnajstih poljudnoznanstvenih knjigah, v revijah in časopisih ter radijskih in televizijskih oddajah. Ker je v znanosti videl pot k boljšemu življenju za vse ljudi sveta, je na mednarodnih kongresih vedno zahteval prosto izmenjavo idej. Iz istega razloga tudi ni patentiral svojih odkritij: želel je, da se vsi ljudje obogatijo z njegovim znanjem. Jutri bi praznoval sto let.

Aleš Strojnik se je v zgodnjih letih znanstvenega raziskovanja ukvarjal z aeronavtiko in njegov prvi pomemben dosežek je bila zamisel o brezrepem letalu pri 22 letih. Prvi svetovno znani prispevek k znanosti pa je bil osnutek in izvedba Ljubljanskega elektronskega mikroskopa LEM1, ki ga je leta 1954 sestavil na ljubljanski elektrotehniški fakulteti in pri katerem je vpeljal več novih konceptov. Za ukrivljanje poti elektronskih žarkov je prvi uporabil samo magnetne leče, za popravljanje astigmatizma pa je uvedel magnetni stigmator. Kakih pet let kasneje so bili astigmatorji običajni v vseh komercialnih elektronskih mikroskopih. Astigmatizem je optični in elektrooptični pojav, tudi zelo pogost v človeškem očesu, pomeni pa, da ima leča dve goriščni razdalji v dveh pravokotnih ravninah, tako da sliko kroga raztegne v elipso.



Elektronski mikroskop je zaprt s cilindri, da v njem lahko ustvarimo vakuum. Elektroni so namreč v primerjavi z velikostjo molekul v zraku izredno majhni delci in ne morejo prosto potovati skozi atmosfero. V zraku zadevajo v molekule dušika in kisika, pa tudi vodika in drugih redkih plinov. Zaradi trkov izgubijo smer in hitrost. Za delovanje EM je zato potreben visok vakuum, ki se doseže z uporabo rotacijske in ionske črpalke. V najboljših okoliščinah traja priprava EM vsaj uro in pol.

Aleš Strojnik je ob tem razvil tudi elektromagnetno centriranje elektronskega snopa, saj je ročno centriranje nemogoče, ker je naš tip pregrob. Tudi ta njegova inovacija je danes običajni del vseh takšnih mikroskopov. Poudarjal je, da biologi potrebujejo elektronske mikroskope z nizko napetostjo, tako da velika energija elektronskega snopa ne rani organel v celici in tako uniči njene notranje strukture. O koristnosti in potrebnosti EM z relativno nizko pospeševalno napetostjo, okrog 50 kV, za raziskave v biologiji je Strojnik objavil članek v reviji Proteus.
 

Peta izvedenka Strojnikovega Ljubljanskega elektronskega mikroskopa (LEM5), ki ga je izdelala Iskra. Vir Tehniški muzej Slovenije

Povabilo iz ZDA

Na povabilo Arizonske državne univerze v mestu Tempe je Strojnik prevzel vodenje gradnje visokonapetostnega (500-KeV) rasterskega presevnega elektronskega mikroskopa. V članku o vlogi kristalografije pri raziskovanju materialov, objavljenem leta 1975 v znanstveni reviji Physics today, avtorja Abrahams in Cohen z Univerze v Chicagu in iz Bell Labs navajata tale opažanja: »Visokonapetostni elektronski mikroskopi s skeniranjem (HV SEM) so zanimivi zaradi boljše ločljivosti in so za debelejše vzorce bolj uporabni kakor presevni elektronski mikroskopi (TEM). Vendar je Aleš Strojnik z Arizonske državne univerze sestavil visokonapetostni rasterski transmisijski elektronski mikroskop (HV STEM) s pospeševalno napetostjo 0,5 MV, ki ima enako ločilno razdaljo kot 1,2-MV tradicionalni visokonapetostni TEM; poleg tega je manjši, bolj ekonomičen za gradnjo in zahteva skromnejše instalacijske pogoje.« Prav zadnji stavek poudari prednosti Strojnikovega mikroskopa, ki so zahtevale izredne tehnološke izboljšave in veliko znanja.

V ZDA so bili vedno usmerjeni k presežkom, zato so si zaželeli imeti tudi EM z najvišjo pospeševalno napetostjo. Zgoraj omenjeni 1,2-MeV mikroskop SEM je bil okrog leta 1975 instaliran na Kalifornijski državni univerzi v Berkeleyju. Ogromnemu instrumentu je bilo namenjeno celo poslopje, ker je imel pospeševalni steber v navpični legi. Strojnikov pospeševalnik pa je bil modularen, kompakten, vodoraven, zgrajen v pritličju poslopja, kjer je domoval oddelek za fiziko in astronomijo. Vsaka od 20 stopenj je ustvarila pospeševalno napetost 25 kV, na vsaki strani je bilo manj kot dva metra prostora, pospeševalnik pa je za lažji dostop in centriranje visel na ogrodju. Tako je bil Strojnikov mikroskop v dotiku s poslopjem samo prek temeljne ploščadi in zato izoliran od vseh fizičnih motenj, ki bi sicer motile zahtevane trajektorije elektronov.


 

Pošiljke kondenzatorjev in bakrena cevka

Strojnik v ZDA ni našel podjetnika, ki bi mu zagotovil ustrezno kvaliteto elektronskih komponent mikroskopa, zato je kupil desetkrat več uporov in kondenzatorjev, kot jih je potreboval, in zavrgel vse, ki niso dosegli potrebnih lastnosti. Pospeševalna hitrost EM namreč določa valovno dolžino (ali barvo) elektronov, napake v pospeševalni hitrosti pa povzročajo popačenje slike, kakršno opazimo, če ponoči zremo v cestno svetilko z žarnico, v kateri je žarilna nitka.

Druga pomembna karakteristika elektronov, ki tečejo skozi elektronski mikroskop, je izredna občutljivost za najmanjše napake v legi toka, ki teče skozi magnetne leče. Tradicionalne magnetne leče so narejene z navoji bakrene žice okrog magneta; ta oblikuje magnetno polje na osi elektromagneta, ki je hkrati tudi optična os leče. Čim večji je električni tok, tem močnejše je delovanje leče. Ta je v vseh pogledih podobna delovanju leč, ki jih nosi daljnoviden človek v naočnikih. Učinkovitost magnetne leče pa pada z naraščanjem pospeševalne napetosti, saj hitrejši elektroni v magnetnem polju ostanejo le kratek čas.

Visok električni tok v leči povzroča tudi povišano temperaturo z neugodnimi posledicami za delovanje, zato je Strojnik predlagal, izdelal in uporabil magnetne leče iz nekaj milimetrov debelih bakrenih cevk, skozi katere je tekla voda. Kot človek izredno širokega znanja je vedel, da tok teče le po zunanjem površju bakrene cevke, v osišču pa sploh ne. Tako je nekega večera, po koncu delovnega dneva, ko že ni bilo več ljudi v poslopju, zbral študente fizikalnega oddelka. Skupaj so najprej previdno potegnili nekaj milimetrov debelo žico skozi pritličje treh povezanih poslopij matematike, fizike in kemije, nato pa so jo ovili okrog magnetnega čevlja. Kakršenkoli nezaželen upogib žice bi prinesel poslabšano delovanje leče.
 

Revolucionarno rastrsko slikanje

Četrta in najbolj revolucionarna novost Strojnikovega mikroskopa, ki mu je omogočila skoraj trikrat izboljšati ločljivost v primerjavi s tradicionalnim elektronskim mikroskopom, je bila uvedba rastrskega slikanja. Bralci po svoji lastni izkušnji poznajo razliko med dvema načinoma opazovanja: človek bere na rastrski način, tako da prepoznava vsako črko posebej od leve proti desni, zna pa opazovati tudi na nerastrski način, kadar s pogledom zaobjame celo pokrajino ali dvorano. Potem se lahko osredotoči na zanimivo podrobnost in začne uporabljati rastrsko graditev slike.

Tradicionalni (ali nerastrski) elektronski mikroskop naredi povečano sliko vzorca na natančno isti način, kot to naredi tradicionalni optični mikroskop, tako da zajame povečano sliko celotnega vidnega polja in za to porabi vse elektrone v snopu. Rastrski presevni elektronski mikroskop pa lahko zajame sliko samo enega delca vzorca, tako da magnetne leče stanjšajo elektronski snop in ga usmerijo samo na izbrano območje. Detektorji nato zajamejo vse elektrone, ki so prešli skozi ta mali del vzorca. Čim manjši je premer osvetljevalnega snopa, tem večja je ločljivost instrumenta.

Z vidika elektronske (ali tradicionalne) optike navaden TEM povečuje, rastrski TEM pa zmanjšuje premer elektronskega snopa, ki tvori sliko. Velika prednost tega je, da STEM lahko uporablja tisočkrat šibkejši tok elektronov. Problem odboja med elektroni na majhnem območju tradicionalnega mikroskopa, kot je to sredi leč, je tako preprosto rešen. Tudi problem poškodovanja vzorca se zmanjša, saj ga vsak hip zadene le majhno število elektronov. Takšen mikroskop sicer potrebuje rastrsko elektroniko, da premika snop čez površino vzorca, a to je malenkost v primerjavi z omenjenimi pridobitvami.

———
V eni od prihodnjih prilog Znanost bo objavljen še sestavek o letalskih inovacijah dr. Aleša Strojnika.