How big is Väikseim objekt, mida näeb elektronmikroskoobiga?

Elektronmikroskoop moodustab pildi valguse asemel elektronkiirega ja suudab kuvada üksikuid aatomeid. 2026. aasta seisuga suudavad parimad elektronmikroskoobid eristada detaile, mis asuvad teineteisest umbes 20 pikomeetri kaugusel, see on umbes viiendik vesiniku aatomi laiusest. Pikomeeter on meetri triljondik.

Suurus

See arv on lahutusvõime, mitte objekti suurus. Mikroskoobi lahutusvõime on väikseim kaugus, mille juures kaks punkti paistavad veel kahe eraldi punktina, mitte ühe hägusa laiguna. Väikseimad asjad, mida elektronmikroskoop näitab, on üksikud aatomid, ja parimad seadmed eristavad nüüd detaile, mis asuvad teineteisest vaid murdosa aatomi laiuse kaugusel.

Elektronkiirt fokuseerivate magnetläätsede vead piirasid kunagi teravaimad pildid umbes 100 pikomeetriga. Läätsekorrektorid tõid selles muutuse. 2008. aastal tutvustas Lawrence Berkeley riiklik laboratoorium mikroskoopi TEAM 0.5, mis oli kavandatud jõudma poole ongströmini ehk 50 pikomeetrini. Selle mikroskoobi töörühm teatas hiljem, et eristas germaaniumiaatomite paare, mis asusid teineteisest 47 pikomeetri kaugusel.

Seejärel nihutas rekordit veelgi edasi arvutimeetod nimega elektronptühograafia. Cornelli ülikooli töörühm jõudis 2018. aastal 39 pikomeetrini ja 2021. aastal umbes 20 pikomeetrini. 2024. aastal teatas Hiinas asuva Tsinghua ülikooli töörühm detailide eristamisest kuni 14 pikomeetrini, kasutades teistsugust lahutusvõime mõõtmise viisi. Täpne rekord sõltub sellest, kuidas lahutusvõimet mõõdetakse.

Suuruste võrdlused

Vesiniku aatom, mille läbimõõt on umbes 0,1 nanomeetrit, on umbes viis korda laiem kui peenim detail, mida need mikroskoobid eristavad.
Kui vesiniku aatom oleks suurendatud korvpalli suuruseks, mille läbimõõt on umbes 24 sentimeetrit, suudaks mikroskoop eristada detaile, mis asuvad teineteisest umbes 4,5 sentimeetri kaugusel.
Tavaline valgusmikroskoop ei suuda eristada detaile, mis on teineteisele lähemal kui umbes 0,2 mikromeetrit. See piir on 10 000 korda suurem kui kaugus, mida parimad elektronmikroskoobid veel eristavad. Mikromeeter on meetri miljondik.
20 pikomeetrit on 0,2 ongströmi. Aatomitevahelised sidemed on üldiselt 1–2 ongströmi pikkused, see on 5–10 korda pikem kui peenim eristatav detail.
Umbes 4–5 miljonit peenimat eristatavat detaili mahuks inimese juuksekarva laiusele.

Miks elektronid näitavad peenemaid detaile kui valgus

Tavalised mikroskoobid ei suuda eristada detaile, mis on palju väiksemad kui selle lainepikkus, mille abil nad näevad. Lainepikkus on kaugus laine ühest harjast järgmiseni. Tavalise valgusmikroskoobi puhul on piir umbes 0,2 mikromeetrit, nagu mikroskoopiaga tegelenud Ernst Abbe 1873. aastal välja arvutas.

Ka elektronid käituvad lainetena, mille lainepikkus on valguse omast palju lühem. Paljudes sellistes mikroskoopides kasutatavate kiirete elektronide lainepikkus on umbes 2 pikomeetrit. Põhimõtteliselt võimaldab see palju peenemaid detaile, kui valgus kunagi suudaks. Praktikas jäid elektronmikroskoobid ebatäiuslike läätsede tõttu sellest piirist kaugele maha ning korrektorid ja arvutimeetodid on vahet sestpeale kitsendanud.

Kuidas uusimad pildid tekivad

Elektronptühograafia ei toetu ainult läätsedele. Mikroskoop skaneerib oma kiirega proovi üle kattuvate laikude kaupa ja salvestab igas laigus, kuidas elektronid hajuvad. Arvutialgoritmid arvutavad seejärel välja, millise kujuga proov annaks sellised mustrid, ja ehitavad nende põhjal pildi uuesti üles.

2021. aasta Cornelli pildid näitasid kristalli, mis oli suurendatud 100 miljonit korda. Sellise lahutusvõime juures tuleb peamine allesjääv hägusus aatomitest endist, mis soojuse tõttu pidevalt värisevad. Töörühma juht David Muller nimetas seda praktiliselt lahutusvõime lõplikuks piiriks.