Ak. Znalosti elektromagnetismu na úrovni učebnice HALLIDAY, D. - RESNICK, R. Výběrová přednáška se zabývá elektronovou mikroskopií a příbuznými metodami jak z pohledu fyzikálních principů, konstrukce a výroby přístrojů ale i z hlediska praktického využití uživateli přístrojů.
1. Základy rastrovací a transmisní elektronové mikroskopie 2. Použití elektronové mikroskopie 3. Elektronová a iontová optika 4. Elektronové a iontové zdroje 5. Interakce elektronů a iontů s pevnou látkou 6. Detekce signálu v elektronové mikroskopii 7. Vakuový systém 8. Manipulace s preparátem v elektronovém mikroskopu 9. Speciální stolky preparátu 10. Mikroskop jako systém 11. Kontrast a obraz 1. (SEM) 12. Kontrast a obraz 2 (TEM) 13. Mikroskop jako laboratoř 14. Moderní trendy v elektronové mikroskopii 15. Detail předmětuZáklady elektronové mikroskopieFEKT-MPC-ZEMAk. rok: 2021/2022Předmět slouží jako úvod do elektronové mikroskopie. Sdružuje problematiku vakuové techniky, elektronových zdrojů, magnetické a elektrostatické optiky, elektronových detektorů a přesných mechanických manipulátorů. Počítačová cvičení jsou zaměřena na výpočty elektromagnetických polí a trasování nabitých částic. V rámci jednoho počítačových cvičení probíhá exkurze do společnosti Tescan.
Brno je na světové špičce elektronové mikroskopie. Těží především z dědictví vědce, fyzika a vysokoškolského pedagoga Armina Delonga, jehož odkaz je silný i na Vysokém učení technickém v Brně (VUT), kde světově uznávaný fyzik studoval a v roce 2014 obdržel čestný doktorát.
Armin Delong se narodil 29. ledna 1925 v Bartovicích na Ostravsku a zemřel 5. října 2017 v Brně. K technice ho to táhlo už od mládí, kdy na vlastní pěst stavěl vysílačky a rádia a prováděl fyzikální pokusy. Hned po válce začal studovat na tehdejší Českoskoslovenské Vysoké škole technické Eduarda Beneše, kde působil jako pomocná vědecká síla a asistent profesora Aleše Bláhy na Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky FEKT VUT. V rámci oslav 115 výročí založení Vysokého učení technického v Brně mu byl na slavnostním zasedání Vědecké rady VUT 26. Se spolužáky Vladimírem Drahošem a Ladislavem Zobačem sestrojil Armin Delong v roce 1951 první československý stolní elektronový mikroskop BS 242, který získal v roce 1958 zlatou medaili na Světové výstavě EXPO v Bruselu. Následně byl v Brně založen Ústav přístrojové techniky ČSAV. Dědictví Armina Delonga přežívá právě v brněnských špičkových firmách a institucích zabývajících se elektronovou mikroskopií - například v Delong Instruments, kde profesor ještě v pokročilém věku pracoval.
„Vychováte-li dobré žáky, pak snad můžete počítat s tím, že vás nechají i po vašem odchodu do důchodu být nablízku oboru, kterému jste věnovali celý život. Mně se to podařilo,“ vzpomínal Delong v roce 2015. Na jeho dílo navazuje také TESCAN, NenoVision nebo firma Thermo Fisher Scientific. Ladislav Zobač, Armin Delong, Miroslav Anderle a Vladimír Drahoš; TESLA BS 242. Československá elektronová mikroskopie by nevznikla bez univerzitního zázemí a odkaz Armina Delonga tak přirozeně nese i Vysoké učení technické.
„Technický pokrok a vědecký pokrok se děje na univerzitách a technických vysokých školách. VUT elektronovou mikroskopii považuje za svou strategickou oblast. Univerzita je nedílnou součástí brněnského inovačního ekosystému #brnoregion a dlouhodobě spolupracuje s místními institucemi a firmami na vývoji elektronových mikroskopů, nových metod a jejich aplikací. „Mikroskopy slouží různým účelům - od studia struktury, velikosti, topografie a morfologie, přes analýzu defektů a lomových ploch, až po kontrolu kvality vyrobených mikro a nanostruktur,“ popsal Petr Lepcio z CEITEC VUT, kde s elektronovými mikroskopy pracují téměř při každém výzkumu a bádání.
Elektronovou mikroskopií se intenzivně zabývají i vědci na Fakultě strojního inženýrství (FSI VUT), kde se jí věnuje Ústav fyzikálního inženýrství, který je s CEITEC VUT blízce provázán. Pomocí programů jako je Fyzikální inženýrství a nanotechnologie nebo Přesná mechanika a optika vychovává špičkové odborníky, mnoho z nichž po dostudování nachází uplatnění ve výše zmíněných firmách. Laboratoře Ústavu materiálových věd a inženýrství FSI VUT mají také od roku 1974 ve vlastnictví unikátní historický transmisní elektronový mikroskop BS 540, který dodnes používají ve výuce.
Ve své době se jednalo o nejlepší mikroskop, který byl v ČSR vyroben. „Díky výzkumu na přístroji vzniklo i několik patentů a samozřejmě nepočítaně závěrečných prací, mohly jich být stovky. Obor má své místo i na Delongově alma mater, FEKT VUT.
Transmisní elektronový mikroskop Tesla BS 540 na FSI VUT. VUT z velké části participuje na organizaci festivalu Dny elektronové mikroskopie (DEM), jehož posláním je už od roku 2017 popularizovat téma mezi rodinami s dětmi, školami i odbornou veřejností. Poslední dva ročníky měla pod křídly Hvězdárna a planetárium Brno, která spolu s partnery z řad firem, univerzit a dalších institucí otevřela v rámci akce dveře do jinak nepřístupných laboratoří.
Letošní ročník DEM se uskuteční 24. - 30. března 2025 s hlavním tématem „Padouch nebo hrdina“ a symbolem obřího nafukovacího modelu bakteriofágu. VUT na DEM pravidelně reprezentují odborníci z FSI VUT a CEITEC VUT. Na CEITEC VUT se o popularizaci (nejen) elektronové mikroskopie zejména mezi mladými zasazuje Stanislav Průša, který zároveň působí i na FSI VUT a kromě DEM má na starosti také VUT Junior, Letní školu CEITEC Student Talent a organizuje prohlídky laboratoří CEITEC Nano.
„Počty zájemců o přírodovědné a technické obory dlouhodobě stagnují, nebo dokonce klesají. Je v celospolečenském zájmu tento trend obrátit. Studenti a pedagogové středních škol jsou přirozeně v centru našeho zájmu. Poslední výzkumy však ukazují, že je důležité seznamovat s obory jako je právě elektronová mikroskopie také žáky ZŠ a jejich rodiče. Především mladší žáci jsou obecně daleko přístupnější našim podmětům,“ dodává Stanislav Průša.
Na výročí se připravuje i Technické muzeum v Brně, a to slavnostním setkáním rodiny, kolegů, žáků a pokračovatelů Armina Delonga. Fyzika si bude připomínat během celého roku. Veřejnost může navštívit také stálou expozici Optika, která nabízí pohled na vývoj mikroskopů a mimo jiné raritu stolního elektronového mikroskopu BS 242 oceněného na výstavě Expo 58 v Bruselu.
(Nejen) elektronovou mikroskopii popularizuje na CEITEC VUT Stanislav Průša. Odkaz profesora Armina Delonga zůstává v Brně i na VUT živý i osm let po jeho smrti a Brno je dnes světovým centrem vývoje a výroby elektronových mikroskopů, využívaných například v NASA nebo na Harvard University. Delongova slova z roku 2013 „Každý profesor si musí najít ty nadané, ti nesmí utéct jenom tak a musí s nimi pracovat a předat jim vědomosti, nápady a tak dále, aby se to rozšiřovalo“ na VUT stále rezonují.
Profesory a studenty inspirují k práci, která následně přispívá k prestiži brněnských firem a posouvá celý obor kupředu. Brno je městem vědy, výzkumu a inovací. A je také městem spolupráce. Právě díky kooperaci firem z oboru elektronové mikroskopie, akademického sektoru, vědecko-popularizačních institucí a veřejné sféry u nás již několik let probíhá naprosto unikátní akce. Její přínos je obrovský - popularizuje vědu, podporuje zájem o studium technických a přírodovědných oborů, představuje velmi perspektivní obor i technologický potenciál našeho města,“ uzavírá primátorka města Brna Markéta Vaňková.
Brno je dlouhodobě považováno za světové centrum elektronové mikroskopie. Právě zde totiž vznikají přístroje, které používají prvotřídní vědecká pracoviště po celém světě a na jejichž vývoji spolupracují univerzity, výzkumné instituce i technologické firmy. Experti z Fakulty strojního inženýrství a CEITEC VUT návštěvníkům přiblíží, jak vědci pomocí elektronových mikroskopů zkoumají struktury materiálů a jak tyto poznatky následně ovlivňují jejich vlastnosti a využití v praxi.
Pro základní a střední školy si připravili vhled do elektronové mikroskopie, kde se studenti dozvídí, jak mikroskopy fungují, kde se využívají a proč jsou pro moderní vědu i průmysl tak důležité. Ilustrační foto. | Autor: archiv CEITEC VUT
Elektronová mikroskopie (TEM a SEM)
Principy elektronové mikroskopie Na rozdíl od běžných světelných mikroskopů, které k osvětlení vzorků používají viditelné světlo, elektronové mikroskopy využívají svazek usměrněných elektronů. Tyto elektrony vykazují vlnové vlastnosti a mají mnohem kratší vlnové délky než fotony, což umožňuje podstatně vyšší rozlišení obrazu. Nejlepší elektronové mikroskopy, jako jsou např. naše Titany, dovedou zobrazovat i jednotlivé atomy.
Petr Lepcio z CEITEC VUT vysvětluje fyzikální principy zobrazení na elektronovém mikroskopu následovně: „Elektrony jsou nejdříve extrahovány z katody, urychleny silným elektrickým polem a nakonec usměrněny soustavou elektromagnetických čoček na vzorek. Tyto tzv. primární elektrony mohou vyvolat celou řadu jevů, např. se mohou odrazit zpět, vyrazit jiný elektron ze struktury vzorku nebo vyvolat rentgenové záření. Jednotlivé signály jsou poté zachyceny detektory a zpracovány počítačem na černobílý obraz vzorku. Díky interakci elektronů s hmotou je také možné získat informace o složení materiálu nebo orientaci krystalických domén.“
„Vnitřek mikroskopu je vyčerpán do hlubokého vakua, aby molekuly plynů nemohly interagovat s letícími elektrony a ovlivňovat tak jejich trajektorii. Zároveň je potřeba pečlivě zabránit veškerým vibracím, které by mohly rozostřit obraz, a odstínit vnější elektromagnetická pole, např. od trafostanice v nedalekém depu šalin.“
Aplikace napříč obory Všestranné uplatnění elektronové mikroskopie zasahuje do různých vědních oblastí a nabízí neocenitelné poznatky v biologických, materiálových a environmentálních vědách. V biologii umožňují vizualizaci buněčných organel, proteinových komplexů a virů, což nám pomáhá poznat základní biologické procesy a mechanismy nemocí. Výzkumníci mohou zkoumat složitou architekturu tkání a odhalovat tajemství života na molekulární úrovni.
Dny elektronové mikroskopie 2024. | Autor: CEITEC VUT
Elektronová mikroskopie navíc přispívá k výzkumu a ochraně životního prostředí analýzou znečišťujících látek, nanočástic a mikroorganismů ve vzorcích životního prostředí. Pochopení interakcí mezi znečišťujícími látkami a ekosystémy pomáhá při navrhování strategií pro nápravu a udržitelnost životního prostředí.
Mikroskopy na CEITEC Široké využití elektronových mikroskopů v podstatě znamená, že jsou tyto přístroje zcela zásadní víceméně při jakémkoliv výzkumu a bádání, které na CEITEC provádíme. Proto jich také na CEITEC máme celou řadu, s různými specifikacemi a různou rozlišovací schopností - podle toho, k čemu se používají.„Sdílená laboratoř kryo-elektronové mikroskopie na CEITEC MUNI využívá čtyři transmisní elektronové mikroskopy, z nichž tři mají urychlovací napětí 200 keV,“ říká Karel Škubník, zástupce vedoucího laboratoře. „Vlajkovou lodí laboratoře je však mikroskop Titan Krios, který má urychlovací napětí 300keV.“
Na CEITEC VUT máme elektronových mikroskopů sedm, jeden z nich je také Titan. „Jelikož jsou to jedny z nejoblíbenějších přístrojů v našich sdílených laboratořích CEITEC Nano, které pravidelně využívá přes 100 uživatelů, tak je spektrum využití opravdu široké,“ vysvětluje Lepcio. „Nejčastěji se jedná o výzkum pokročilých materiálů, nanočástic, nanovláken a dalších nanomateriálů. Mikroskopy slouží různým účelům - od studia jejich struktury, velikosti, topografie a morfologie, přes analýzu defektů a lomových ploch, až po kontrolu kvality vyrobených mikro- a nanostruktur.“
I na CEITEC VUT se nám čas od času dostanou pod ruku exotičtější vzorky, například historické artefakty. Elektronová mikroskopie v Brně. CEITEC je hrdou součástí brněnského inovačního ekosystému #brnoregion, ve kterém hraje elektronová mikroskopie zcela zásadní roli. S giganty typu ThermoFisher Scientific, Tescan a Delong Instruments je Brno zkrátka střediskem elektronové mikroskopie.
Vždyť se také každý třetí elektronový mikroskop na světě vyrábí právě u nás! Dny elektronové mikroskopie ukazují, že Brno a CEITEC tvoří klíčovou brněnskou sít’ pro výzkum a průmysl. CEITEC tradičně organizuje exkurze, přednášky a labortorium ukazují praktické využití elektronové mikroskopie.
Na CEITEC MUNI probíhají sdílené kryo-elektronové mikroskopy s vysokým rozlišením a spolupráce s akademickým sektorem i průmyslem posiluje inovační ekosystém Brna. CEITEC VUT spolupracuje s průmyslovými partnery i akademickými institucemi z celého světa a díky špičkové infrastruktuře je důležitým partnerem pro materiálový výzkum, nanotechnologie i biomedicínu. Například v oblasti nových nanomateriálů se zde vyvíjejí revoluční přístupy k diagnostice a léčbě onemocnění.
CEITEC VUT a jeho spolupracující instituce pokračují v rozvíjení mikroskopického ekosystému. Na jeho vzniku a rozvoji se podílejí společnosti Tescan LYRA a Delong Instruments, a dále vědecká centra a univerzity po celém světě. Dny elektronové mikroskopie se staly symbolem tohoto spolupracujícího brněnského prostředí a podpory popularizace vědy pro širokou veřejnost.
tags: #elektronovy #mikroskop #vut